【科学向未来】

　　量子力学是整个微观物理学的基本理论框架，在基础与应用各方面取得了一个又一个成功。它也使人类生产生活发生深刻变革——诺贝尔奖得主莱德曼在20世纪90年代就说过，量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。有学者认为，在量子信息和量子操控等方面发生着“第二次量子革命”，但复旦大学物理系教授施郁更愿称其为“继续量子科学革命”（continuous quantum revolution）。施郁认为，量子力学基本原理还有未完全解决的问题，而包括量子力学在内的科学的基本方针是：客观世界和客观规律不依赖于人的意志。

　　什么是“量子”

　　“量子”最初由德国物理学家普朗克于1900年提出的，驱散了当时物理学天空中的“一朵乌云”：受热物体发出的电磁辐射能量与频率的关系。电磁辐射即电磁波，在不同频率范围分别称作红外线、可见光、紫外线等。普朗克假设物体发射电磁辐射能量是一份一份的，每份总是一个基本单位的整数倍，这个基本单位称作“能量量子”。1905年，爱因斯坦提出，电磁波本身就由能量量子组成，称作“光量子”（后简称“光子”）。1913年，玻尔提出，原子中稳定电子的能量只能取一些分立值，叫作“能量量子化”。所以在量子论早期，“量子”的主要含义是分立和非连续。这种含义也被用于当代物理，比如“量子霍尔效应”指霍尔电导只能取一些分立值。与光量子类似，现代物理学中，每种基本粒子都是一个量子场的振动激发，也叫量子。它们与牛顿力学的粒子观念不同，但依然是客观物质。

　　1925至1927年，海森堡、玻恩、约旦、薛定谔、狄拉克等人创立了系统的量子力学，取代了早期量子论，其特征并不能简单归结于分立和非连续。现在更多情况下，“量子”是作为一个形容词或前缀在使用，“量子X”是指将量子力学基本原理用于X，比如量子光学、量子统计、量子凝聚态物理、量子化学、量子电动力学、量子场论、量子宇宙学、量子信息、量子计算等等。

　　量子力学与经典物理学的比较

　　量子力学是微观物理学的整个一套基本理论。对于它所适用的范围，通常是分子以下的微观层次（后面还要提到适用范围），所有科学规律都在它的基本框架下。相对之前的物理，量子力学这个基本框架是全新的，前者被称作经典物理。

　　经典物理中，与日常生活经验一致，每个物理量总有明确的值。比如物体在每个时刻都有明确的位置，经典物理规律完全决定它怎样随时间而变化。掌握了经典物理规律，只要知道物体受力情况和某个时刻的位置和速度，就可计算出其他任意时刻的位置和速度。比如，哈雷根据牛顿力学正确预言了哈雷彗星的回归，我们也能应用经典物理将人造卫星发射到预定轨道。

　　经典物理和日常生活中也有几率的概念。但这是基于对细节的忽略或平均。例如，扔下一个均匀的硬币，每个面朝上的几率大概是二分之一。我们通常不能预测每一次扔硬币的结果。其实每个硬币的运动由不同的细节决定，如果知道力学细节，原则上可以预言每一次结果。

　　量子力学中，几率概念首当其冲，是实质性的。对于量子粒子的每个可能位置我们赋予一个复数，称作“波函数”。测量粒子的位置，它出现在某个可能的位置；测量另一个也由这个波函数描述的粒子。这样的过程重复很多遍，然后统计出现在每个位置上的次数，占所有次数的比例就是粒子处于这个位置的几率，等于波函数在这个位置的大小的平方。

　　怎么描述量子粒子的速度？有读者可能说，需要一个速度波函数，其大小的平方给出每个可能的速度的几率。正确！那能不能同时描述粒子的位置和速度，比如粒子处在某个位置而且具有某个速度，就如经典物理和日常生活里的常见情况？有读者可能会说，用位置波函数描述位置，同时用速度波函数描述速度。

　　但量子力学告诉我们不能这么做，因为速度波函数与位置波函数不独立。当量子粒子处于某个确定的位置时去测量速度，有可能得到各种结果，反之亦然。这是著名的海森堡不确定关系，也是所谓的“波粒二象性”：当一个量子粒子由一个连续分布的位置波函数描述时，表现出波动性（几率波）；如果我们测量它的位置，结果它必然出现于某个位置（虽然在每个位置都有可能），就表现出粒子性。