区政协委员 徐锐

我给大家荐读《从零开始读懂量子力学》（戴瑾编著，北京大学出版社2020年4月出版）。这本书旨在对量子力学做严谨的科普。既然是科普，要回避复杂的数学表述和方程式；既然要严谨，又力求对基本概念清晰解释，对科学原理准确表达。

全书分为两篇，第1篇解释量子力学的基本原理，包括量子状态的叠加、量子不确定性、量子隧道效应、量子角动量和自旋、量子纠缠等。第2篇介绍量子在几大领域的应用，涉及的领域包括化学、半导体物理、高能物理等。下面就我的理解和学习，介绍一下量子力学的一些有趣的基本特性以及和大家工作生活比较相关的应用。

世界是由微观粒子构成的，包括原子、电子、质子、中子，甚至更小的基本粒子叫做夸克。微观世界内部是非常空旷的，原子是由原子核和外围的电子组成，就像太阳系中的太阳和行星，而原子核只有原子的十万分之一大小。在宏观世界中体验到的实体感，是微观粒子之间相互作用的结果，比如我们看到的物体颜色是原子反射光时对光的频率的选择，我们触摸到物体的是源于物体之间原子的排斥力。量子力学，就是探讨粒子之间相互作用规则的科学。

关于量子态，量子力学中微观粒子的状态和经典力学完全不一样。比如关在一个盒子中的粒子，可以在盒子的左边，也可以在盒子的右边。在量子力学中这个粒子会同时在左边和右边，这是微观粒子和宏观物体的状态之间最大的不同，不再是非此即彼。著名的电子双缝干涉实验中，电子必须同时从两条缝中穿过，才能形成规则的干涉条纹。不但演示了波粒二象性，也证明了一个粒子可以同时存在于空间的不同位置。

关于量子纠缠，基于角动量守恒的原理，当1个自旋为0的粒子衰变为2个自旋为1/2的粒子，其中一个为正向自旋，另一个一定就是反向自旋，这就是量子纠缠。哪怕两个粒子之间相隔很远，只要没有和其他粒子发生新的相互作用，这种纠缠关系就会保留，爱因斯坦把量子纠缠称为“超距鬼魅作用”。2017年，中国墨子号量子实验卫星把纠缠的光子对分别发到了青海德令哈和云南丽江两个地面站，这两个地面站相距1203公里，共同完成了对量子纠缠的测量和验证，刷新了鬼魅相互作用距离的世界纪录。

在应用方面，未来基于量子态及量子比特构建的量子计算机将具备超级计算能力，可以瞬间完成天文数字的计算任务，而现在世界上性能最强大的计算机经年累月也算不出来。基于光子自旋和量子纠缠的量子通信，可以实现原则上无法窃听的通信。基于量子隧道效应的半导体闪存技术，也是影响世界的重大发明，它催生了手机的普及和无线互联网的应用，彻底改变了我们的生活方式。此外，在原子钟、光伏发电、LED显示、石墨烯电池、磁内存、超导磁悬浮、超导计算机等很多现在和未来的技术方面，量子力学无所不在。下面举两个大家比较熟悉的应用。

核磁共振。医用核磁成像追踪的是人体内的氢原子核，人体60%是水，水分子有两个氢原子，人体中的各种有机物也都含有很多氢原子。当设备将一束射频脉冲射入人的身体，频率不到X射线的一亿分之一，单个粒子的能量很低，而X射线能够打散很多原子，所以会对人体造成伤害，而这个频率的电磁波对人体是无害的。脉冲与人体内的氢原子核产生共振，从而激发相同频率的射频辐射，通过接收辐射信号可以得到与氢原子相关的数据。而由于设备产生的磁场不均匀分布，人体不同位置对应的共振频率会有所不同，经过射频脉冲的扫描，可以得出人体不同位置上氢原子密度的分布情况，从而生成人体内的三维图像。

激光应用。在波长很短靠近可见光的波段，太阳和一切灼热物体发出的光，是从每一个原子里面独立辐射出来的，每一个光子都有自己的波函数，波形和频率是不同的。而激光则是所有的光子都在同一量子状态上，是单一频率的相干光。激光这种波长短而且还是纯色光的性质，具有广泛的应用价值，我们知道，玻璃介质都有色差，不同波长的光在玻璃介质中的传播速度和折射率都有所不同。如果不是单色光，再好的镜头也不能把一束光聚到一个微小的点上。现代集成电路的芯片制造，需要在硅片上雕刻几十纳米甚至几纳米的图案，没有激光摄影根本无法实现；在光纤通信中，由于不同频率的光在玻璃纤维中的传播速度不同，普通的光脉冲在光纤内传播一段距离后就会散开，只有使用激光才能实现更高的传播速率和距离。基于量子力学的激光技术可以制造出激光器，从而产生我们需要的激光，服务于我们的生产与生活。

相对于经典力学，量子力学让人类的认知进入到更艰深的领域，量子力学催生了半导体、激光、超导这样的新技术，人类文明发生了翻天覆地的变化。但是我们对世界的认识还不完美，未知的世界离我们是如此的接近又是那么的遥远，这个地球上始终需要有仰望星空的人！