萬物背后的量子真相

吉姆·艾爾－哈利利　約翰喬·麥克法登　侯新智　祝錦杰

假如今天在科學(xué)家中進(jìn)行一項(xiàng)民意調(diào)查，問他們什么是整個(gè)科學(xué)領(lǐng)域最成功、影響最深遠(yuǎn)、最重要的理論，答案可能會(huì)取決于你所問的科學(xué)家是在非生物科學(xué)領(lǐng)域還是生物科學(xué)領(lǐng)域。

絕大多數(shù)生物學(xué)家認(rèn)為，達(dá)爾文的自然選擇進(jìn)化論是人類有史以來意義最深遠(yuǎn)的理論;物理學(xué)家則更傾向于認(rèn)為，量子力學(xué)理論才應(yīng)該占據(jù)科學(xué)中的首要位置。因?yàn)?，量子力學(xué)構(gòu)筑了大部分現(xiàn)代物理學(xué)與化學(xué)的基石，揭示了宇宙的基本構(gòu)成單位，并向人類展現(xiàn)了一幅非凡的宇宙全景。

確實(shí)，如果沒有量子力學(xué)的解釋，我們目前對(duì)世界是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的大部分看法都不能成立。

幾乎每個(gè)人都聽說過“量子力學(xué)”，不過，認(rèn)為“量子力學(xué)是一門艱深而難以理解的科學(xué)，只有極小部分非常聰明的人能夠理解它”的想法一直很普遍。但事實(shí)是，從20世紀(jì)早期開始，量子力學(xué)就已經(jīng)成了我們所有人生活的一部分。

量子力學(xué)在20世紀(jì)20年代中期發(fā)展為一種解釋極小世界（現(xiàn)稱微觀世界）的理論。原子構(gòu)成了我們眼睛所見的一切事物，而量子力學(xué)描述了原子的行為以及構(gòu)成這些原子的更小粒子的性質(zhì)。比如，通過描述電子運(yùn)動(dòng)所遵循的規(guī)則，以及電子在原子內(nèi)部如何安排自己的行為，量子力學(xué)奠定了整個(gè)化學(xué)、材料科學(xué)甚至電子學(xué)的基礎(chǔ)。不僅如此，過去半個(gè)世紀(jì)中，大多數(shù)技術(shù)進(jìn)步都以量子力學(xué)的數(shù)學(xué)規(guī)則為核心。

如果沒有量子力學(xué)對(duì)電子如何在材料中穿梭的解釋，我們就無法理解半導(dǎo)體的行為;而半導(dǎo)體又是現(xiàn)代電子學(xué)的基礎(chǔ)，如果沒有對(duì)半導(dǎo)體的理解，我們就無法發(fā)明出硅晶體管，以及后來的微芯片及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)。沒有量子力學(xué)對(duì)我們知識(shí)的提升，就不會(huì)有激光，不會(huì)有智能手機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航或是核磁共振成像掃描儀。這樣的例子不勝枚舉。事實(shí)上，有估計(jì)稱，如果沒有我們對(duì)量子世界中力學(xué)原理的理解，發(fā)達(dá)國家超過1/3的國內(nèi)生產(chǎn)總值將無法實(shí)現(xiàn)。

這才僅僅是個(gè)開始。在有生之年，我們十有八九會(huì)見證一個(gè)量子時(shí)代的到來。那個(gè)時(shí)候，人類可以從激光驅(qū)動(dòng)的核聚變中獲得近于無限的電能;分子級(jí)別的人造機(jī)器會(huì)在工程、生化及醫(yī)藥領(lǐng)域幫助人類完成大量的任務(wù);量子計(jì)算機(jī)將開始提供人工智能;從前只在科幻作品中出現(xiàn)的遠(yuǎn)距傳物技術(shù)將很有可能成為信息傳遞的常規(guī)方式。發(fā)端于20世紀(jì)的量子革命將在21世紀(jì)持續(xù)加速，以不可想象的方式改變我們的生活。

但是，量子力學(xué)究竟是什么呢？對(duì)初次接觸量子力學(xué)的嘗鮮者，此處我們以幾例量子力學(xué)對(duì)生活潛移默化的影響，向你展現(xiàn)這些真相如何塑造了我們的生活。

奇特的波粒二象性

第一個(gè)例子表現(xiàn)的是量子世界中最奇特的特征，也可以說是量子世界的決定性特征：波粒二象性。

我們已經(jīng)熟悉了世界的構(gòu)成，知道自己周圍的所有物體都是由許許多多微小而離散的粒子構(gòu)成的，比如原子、電子、質(zhì)子和中子。你可能也知道，能量（比如聲或光）以波的形式傳播，而非粒子。波會(huì)向外擴(kuò)散，而不是像粒子那樣向四周移動(dòng);波在空間穿過，會(huì)像大海里的波濤一樣，形成波峰和波谷。20世紀(jì)早期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)亞原子粒子可以像波一樣運(yùn)動(dòng)，而光波具有粒子的性質(zhì)。量子力學(xué)正是在那個(gè)時(shí)候誕生的。

雖然波粒二象性不是什么你每天都需要考慮的事情，但它構(gòu)成了許多非常重要機(jī)械的基礎(chǔ)，比如電子顯微鏡。電子顯微鏡讓醫(yī)生和科學(xué)家能夠看見、分辨并研究用傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡看不見的極微小物體，比如艾滋病毒和普通流感病毒。“電子具有波的性質(zhì)”這一發(fā)現(xiàn)直接催生了電子顯微鏡的發(fā)明。

德國科學(xué)家馬克斯·克諾爾（Max Knoll）和恩斯特·魯斯卡（Ernst Ruska）發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殡娮赢a(chǎn)生的波長（指任一波中連續(xù)兩個(gè)波峰或波谷之間的距離）比可見光的波長要短得多，因此基于電子成像的顯微鏡會(huì)比普通的光學(xué)顯微鏡捕捉到更多的細(xì)節(jié)。這是因?yàn)?，?dāng)波遇到任何微小的物體后，如果這一物體的三維比波的波長要短，那么這個(gè)物體將不會(huì)影響和改變波的傳播，就像波長幾米的海浪沖擊著沙灘上的鵝卵石一樣。你需要更短的波長，比如那種在學(xué)校的科學(xué)實(shí)驗(yàn)課上常見的水槽里的漣漪，才能在遇到鵝卵石后產(chǎn)生反射和衍射，使我們最終“看見”這個(gè)鵝卵石。因此，克諾爾和魯斯卡在1931年制造了世界上第一臺(tái)電子顯微鏡，并用它拍下了世界上的第一張病毒照片。恩斯特·魯斯卡因此獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這個(gè)獎(jiǎng)?lì)C得或許有些遲了，因?yàn)榭酥Z爾在多年前已經(jīng)逝世（1969年），而魯斯卡在得獎(jiǎng)兩年后也離開了人世。

量子隧穿：“穿墻而過”的粒子

第二個(gè)例子將更加重要。

你知道太陽為什么會(huì)發(fā)光嗎？大多數(shù)人可能知道太陽本質(zhì)上是一個(gè)核聚變反應(yīng)堆，消耗氫來釋放熱量和陽光，而陽光維持了地球上的所有生命。但是，很少有人知道，如果沒有那讓粒子“穿墻而過”的奇異量子性質(zhì)，太陽根本不會(huì)發(fā)光。

太陽（或者說宇宙中的所有恒星）之所以能夠放射如此大量的能量，是因?yàn)闅湓拥脑雍耍ㄒ簿褪菐в幸粋€(gè)單位正電荷的質(zhì)子）能夠聚變，并以我們稱為陽光的電磁輻射釋放能量。兩個(gè)氫原子核要想聚變，就需要靠得非常近，但兩者靠得越近，相互間的排斥力就越大，因?yàn)樗鼈兏鲾y帶一個(gè)正電荷，而同種電荷互相排斥。

事實(shí)上，如果要讓兩個(gè)質(zhì)子靠近到足以聚變，那么兩個(gè)質(zhì)子必須要有能力穿越一堵亞原子尺度的“磚墻” ——一個(gè)明顯不可穿透的能量壁壘。經(jīng)典物理學(xué)——構(gòu)建在牛頓定律之上，能夠很好地描述日常生活中的各種現(xiàn)象，甚至是天體的受力和運(yùn)動(dòng)——認(rèn)為這樣的穿越不可能發(fā)生。換句話說，因?yàn)榱Ｗ硬豢赡艽Χ^，所以太陽也不應(yīng)該發(fā)光。

但是，原子核這一類遵循量子力學(xué)原理的粒子卻暗藏玄機(jī)——它們通過一種被稱為“量子隧穿”的過程，可以輕松地穿透上述的壁壘。從本質(zhì)上講，是它們的波粒二象性使它們能夠完成隧穿。正如海浪可以繞過物體（比如沙灘上的卵石）傳播一樣，波也可以繞過物體傳播（比如聲波可以穿透墻壁，讓你聽到鄰居家的電視聲）。當(dāng)然，作為聲波的介質(zhì)，空氣并沒有真正地穿透墻壁——空氣中的振動(dòng)，也就是聲音，使你和鄰居共用的墻壁發(fā)生振動(dòng)，而此振動(dòng)又推動(dòng)你房間中的空氣，將相同的聲波傳入你的耳中。

但原子核不一樣。如果你能像原子核一樣行動(dòng)，那么有時(shí)候，你真的能夠像幽靈一般直接穿過堅(jiān)實(shí)的壁壘。

太陽內(nèi)部的氫原子核所做的正是如此——它能讓自己傳播出來，像幽靈一樣穿透能量壁壘，使自己與墻另一邊的伙伴靠得足夠近來完成聚變反應(yīng)。因此，當(dāng)你下一次在沙灘上曬太陽時(shí)，不妨看看拍打著沙灘的海浪，想一想量子粒子像幽靈一樣波動(dòng)，這種波動(dòng)不僅能夠讓你享受溫暖的陽光，也使我們星球上所有的生命成為可能。

疊加態(tài)：華爾茲與爵士共舞

第三個(gè)例子與前面的例子也相關(guān)，但展現(xiàn)了量子世界不同甚至更加奇怪的特征：一種被稱為“疊加態(tài)”的現(xiàn)象。

疊加態(tài)現(xiàn)象指粒子可以同時(shí)完成2件、100件甚至100萬件事情。這個(gè)性質(zhì)可以解釋我們的宇宙為什么如此復(fù)雜而有趣。在大爆炸之后，宇宙誕生，彼時(shí)的空間中充斥著單一的原子，即以最簡單的形式存在的氫原子——由一個(gè)帶正電荷的質(zhì)子和一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成。那是一個(gè)相當(dāng)單調(diào)的世界，沒有恒星或是行星，當(dāng)然，也不會(huì)有任何生命。因?yàn)?，包括我們自己在?nèi)，構(gòu)成我們周圍一切事物的“基本單位”，都是比氫原子更為復(fù)雜的物質(zhì)，比如像碳、氧、鐵這樣更重的元素。幸運(yùn)的是，在充滿氫的恒星內(nèi)部，可以利用氫的另一種形態(tài)來生成這些更重的元素。氫的這種更重的形態(tài)叫作氘或重氫。而氘原子之所以能存在，多少要?dú)w功于量子的魔法。

如前所述，合成的第一步是兩個(gè)氫原子核，也就是質(zhì)子，通過量子隧穿效應(yīng)靠得足夠近時(shí)，釋放一些能量。正是這些能量變成的陽光溫暖著我們的星球。第二步，兩個(gè)質(zhì)子必須結(jié)合在一起，這個(gè)過程并不容易，因?yàn)閮蓚€(gè)質(zhì)子間的作用并不能提供足夠的黏合力。

所有的原子核其實(shí)由兩種粒子構(gòu)成：質(zhì)子和電中性的中子。如果原子核中某一種粒子太多，量子力學(xué)的原理就認(rèn)為原子核內(nèi)的平衡會(huì)重新調(diào)整，部分多余的粒子會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N粒子：質(zhì)子變成中子或是中子變成質(zhì)子。這種轉(zhuǎn)變的過程被稱為β 衰變。

兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合時(shí)發(fā)生的事情正是如此：兩個(gè)質(zhì)子不能共存，其中之一會(huì)β 衰變?yōu)橹凶印ＪＳ嗟馁|(zhì)子與新生成的中子會(huì)結(jié)合形成一種新的物質(zhì)氘核（氫的同位素氘的原子核），之后，氘核會(huì)進(jìn)一步發(fā)生核反應(yīng)，合成更加復(fù)雜的、重于氫的原子核，從氦（兩個(gè)質(zhì)子加一個(gè)或兩個(gè)中子）到碳、氮、氧，以此類推。

此處的重點(diǎn)在于，氘核的存在歸功于其能同時(shí)以兩種狀態(tài)出現(xiàn)的能力，而這種能力恰是量子疊加態(tài)的體現(xiàn)。這是因?yàn)?，由于自旋方式的不同，質(zhì)子和中子能以兩種不同的方式結(jié)合。把氘核內(nèi)質(zhì)子和中子的共同旋轉(zhuǎn)，想象成一場精心編排的“舞蹈”，而這舞蹈結(jié)合了“緩慢親密的華爾茲”與“節(jié)奏稍快的爵士”兩種特點(diǎn)。早在20世紀(jì)30年代晚期，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，氘核內(nèi)部的這兩種粒子并不是以一種形式在共舞，而是同時(shí)以兩種狀態(tài)在舞蹈——它們同時(shí)跳著“華爾茲”和“爵士”——而正是這種舞蹈形式，將它們緊密結(jié)合在了一起。

看了上文，你可能不禁要問：“你們是怎么知道的？”是的，原子核太小了，遠(yuǎn)非肉眼所能看見，那么，為了更合情理，我們是不是該假設(shè)自己對(duì)“核力”的理解還不夠完善呢？答案是否定的。上文的結(jié)論已經(jīng)在多個(gè)實(shí)驗(yàn)室被反復(fù)證明：如果質(zhì)子和中子以“量子華爾茲”或“量子爵士”的任意一種形式結(jié)合，兩者間的核“黏合力”都不足以強(qiáng)到使兩者結(jié)合在一起;只有兩者互相疊加時(shí)，也就是兩種狀態(tài)同時(shí)存在時(shí)，黏合力才足夠強(qiáng)。我們可以將這兩種狀態(tài)的疊加想象為兩種顏料的混合（如藍(lán)色和黃色，混合后會(huì)形成一種新的顏色——綠色），雖然你知道綠色是由最初的兩種顏色混合而成的，但它既不是藍(lán)色也不是黃色。不同比例的藍(lán)色和黃色混合，也能創(chuàng)造出不同色調(diào)的綠色。同樣，質(zhì)子和中子能夠結(jié)合為氘核，是因?yàn)樗鼈兊奈璧复蟛糠质恰叭A爾茲”，但同時(shí)也混合著一小部分“爵士”。

因此，如果粒子們不能同時(shí)共舞“華爾茲”和“爵士”，那么我們的宇宙到現(xiàn)在還是一鍋氫氣粥，除了氫氣外別無他物——沒有發(fā)光的恒星，沒有其他元素，你也不會(huì)在這兒讀這些文字了。我們能夠存在，是因?yàn)橘|(zhì)子和中子以反直覺的量子方式存在著。

核磁共振的秘密

我們的最后一個(gè)例子要把大家?guī)Щ氐郊夹g(shù)世界中。量子世界的性質(zhì)不僅可以用來觀察像病毒一樣微小的事物，也可以用來觀察我們的身體內(nèi)部。

核磁共振成像是一種醫(yī)療掃描技術(shù)，能夠造出細(xì)節(jié)極其豐富的軟組織圖像。核磁共振成像通常被用來診斷疾病，特別是探測內(nèi)部器官上的腫瘤。大多數(shù)介紹核磁共振成像掃描儀的通俗說明都沒有提到，其實(shí)此項(xiàng)技術(shù)依賴于量子世界奇特的運(yùn)轉(zhuǎn)原理。

核磁共振成像掃描儀使用磁力強(qiáng)勁的大型磁鐵將病人體內(nèi)氫原子核的自旋軸排列整齊。之后，這些原子被放射波脈沖刺激，迫使排列整齊的原子核以奇特的量子狀態(tài)存在，同時(shí)向兩個(gè)方向自旋。試著將這個(gè)過程視覺化對(duì)理解它并沒有什么作用，因?yàn)槟壳八x我們的日常生活還很遙遠(yuǎn)。重點(diǎn)在于，當(dāng)這些原子核重新回到最初的狀態(tài)（即它們還未接受能量脈沖的刺激而進(jìn)入量子疊加態(tài)）時(shí)，它們會(huì)把之前接受的能量釋放出來。核磁共振成像掃描儀上的電子儀器將收集這些能量，并以此為患者體內(nèi)的器官造影，生成細(xì)節(jié)豐富的圖像。

因此，如果你有機(jī)會(huì)躺在一臺(tái)核磁共振成像掃描儀里，或許還一邊聽著耳機(jī)里的音樂，不妨花一小會(huì)兒時(shí)間想想亞原子粒子反直覺的量子行為，因?yàn)檎沁@種行為讓核磁共振成像技術(shù)成為可能。

本文內(nèi)容摘編自《神秘的量子生命》一書，吉姆· 艾爾-哈利利、約翰喬· 麥克法登著，侯新智、祝錦杰譯，浙江人民出版社，2016年8月