量子物理学

1900年左右，物理学家发现了像电子、质子和中子这样的粒子。这些发现被认可，使得他们能够预测原子的内部行为。然而，当他们将预测与实际的实验结果对比时却发现，经典物理学和力学的原理远不能解释原子尺度的现象。这种认识的形成，使量子物理学的出现成了人类历史上最重要的智力运动之一。今天，量子物理学无处不在：它解释了我们的计算机如何工作，激光如何通过互联网传输信息，并允许科学家准确地预测自然界中几乎所有粒子的行为。物理学的运用，一直是调查与我们的世界和宇宙相关的最广泛问题的根本。

虽然众所周知，量子物理学领域和原理几乎可以被无限应用，但是，要理解出现这种情况的根本原因远没有那么容易。本书中，量子物理学家Michael G. Raymer提取了这种抽象领域的基本原则，并且从很多方面提出了量子物理学是当今科学的一个关键因素，也是人人都需知、可知的科普知识。

作者

[美]迈克尔·G.雷默（Michael G. Raymer），美国物理学会会士，美国光学学会会士，美国俄勒冈大学物理学教授。主要研究方向为量子力学、量子信息科学、非线性光学和激光物理。曾担任《物理评论快报》(Physical Review Letters）和《现代光学杂志》(Journal of Modern Optics）编委会成员。

译者

吴纯白，激光物理专家，美国俄勒冈大学物理学博士，致力于量子和非线性光学的研究。现就职于德国大陆集团（Continental AG）汽车事业部，担任高级资深光学工程师。曾在《物理评论快报》、《美国光学学会期刊》（Journal of the Optical Society of America）等杂志上发表过多篇论文，并获美国专利。博士生导师为本书作者迈克尔 · G.雷默。

本书解答了像“量子纠缠的含义”这样宽泛的问题，和像“为什么世界各国政府都在花费数十亿美元开发量子技术研究”这样具体而又适时的问题。作者列出了涉及量子物理学的一系列问题和观点。从数据加密和量子计算的应用、原理到像“量子非定域性”这样的概念，再到海森堡的不确定性原理，本书形成了对一个几乎无处不在的科学话题的广泛介绍。

序

本书向非科研人员详细地解释了量子物理学到底是什么，并且介绍了那些正在高速发展的、以光和物质所特有的量子现象为基础的科学技术。“什么才是所有人都需要了解的量子物理学？”当我在思考如何回答这个问题的时候，我意识到，尽管量子物理学是一门涉及范围非常广的学科，但是关于它的一本科普读物不应该试图面面俱到。与其回答刚才那个问题，我不如问我自己，什么才是量子物理学中最博大精深的思想，同时这种思想是每一个人都能理解的？对于很多物理学家来说，量子物理学最出色的方面是让他们重新审视物质世界最深层次、最基本的概念，也就是他们的科学世界观。

量子物理学最重要的思想是：量子世界呈现出概率性，而这种概率性和我们的直觉思维是有冲突的。这个思想包含了下面两个要点：

首先，物理世界的运作方式并不像时钟发条那样精准——就算我们用最完美的方法知道了物体现在的状态，这并不能保证我们可以准确地预测它将来的状态。将来可能发生的事并不是预先决定好的。我们可以谈论的，只是或大或小的概率而已。同理，用完美的方法观察到的物体，它现在的状态并不能使我们确切地得知它过去的状态。这个要点看上去不足为奇，尤其是对一些复杂系统(比如人的行为)来说，但是，量子物理学却告诉我们，这个要点对最简单的物体(比如一个单电子)也适用。

其次，假设有一个隐藏的物体，在我们第一次观测到它的时候，我们的直觉思维是，在被观察到的那一刻，它的外观和表现就是它被观察到之前的样子。比如，你打开一个礼物盒，看到一个小巧的绿宝石，那么，你会自然而然地认为，在你打开盒子之前，这颗宝石就是小小的、绿色的。但是，对于量子层面的物体，也就是当我们试图观察和测量像电子这样的基本粒子时，这样的直觉思维式世界观却不再适用。

也许你会想，在观测微小物体的性质和表现时，直觉思维不可靠这一点也不奇怪，但是大多数物理学家却觉得，如果你思考得更深入，那么你就会觉得这里面有很大的问题。诺贝尔物理学奖获得者默里·盖尔曼（Murray GellMann）曾经说过：“量子力学的发现是人类历史上最伟大的成就之一，但它同时也是人类最难掌握的理论之一……它违反了我们的直觉思维——确切地说，应该是人类的直觉思维是建立在忽略量子效应的基础上。”

这本书最主要的目的是帮助你深入思考和理解量子物理学的定位，从而你也可能感叹，量子物理学的世界观是多么反直觉，并且这个事实已经一次又一次地被实验室里的各种实验所证实。在2015年，当我还在写这本书的时候，世界上3个不同的实验室分别独立地完成了相似的实验，他们的结果第一次完完全全地证实了：我们赖以生存的这个世界，与我们用直觉思维形成的、经典物理学世界观解释的世界，是格格不入的。在经典物理学世界观里，我们用直觉思维认定每一个基本粒子都具有确定的性质和表现，这和它们是否或者如何被观测到无关。《科学》杂志把这项发现纳入当年的十大科学发现之一。这些科学实验彻底改变了我们的科学世界观，在本书中我们将详细探讨它们。

科学世界观的改变通常是和技术革命紧密联系在一起的，这两者互相扶持，形成了一个从发现到创造发明的反馈式循环，如农业科技和人类劳动分工的出现，印刷术和文化的传播，18世纪物理学和生产工业化，等等。在人类探索了量子物理学100多年后的今天，一个新型技术分支正在冉冉升起，它就是：量子技术。这个新型技术基于我们全新的科学世界观。虽然这个世界观和直觉思维相反，科学家和工程师却可以利用量子技术完成各种新型任务：无法破解的信息加密，超高精度的重力和加速度传感器，能以指数级速度计算并给出问题答案的、比目前任何计算机都要快的量子计算机，等等。

我写这本书的目的是用浅显易懂的语言，尽全力让一个没有物理学基础，但又充满好奇心、具有恒心的读者，在读书的过程中，有能力去理解和遵循我们用来解释量子理论正确性的逻辑思维。

1什么是量子物理学？

1什么是量子物理学？2

量子物理学怎样影响着我们的日常生活？4

什么是物理学理论，以及什么是物理学课题？5

为什么当我们谈论物理时会使用“模型”这个词？7

为什么2015年是量子物理学特别成功的一年？8

为什么有些物体可以用经典物理模型来描述，而有些却

需要用量子物理模型来描述？10

什么是组成物理世界的最基本实体？12

光在经典物理学和量子物理学中的描述有何不同？15

光探测的离散性具有什么物理意义？16

人们有可能制造出并且探测到单光子吗？19

量子物理学是如何被发现的？21

电磁场具有量子本质吗？25

2量子测量以及测量产生的后果29

什么是经典物理学中的“测量”？30

什么是光的偏振？31

我们怎样确定或者测量光的偏振？33

如果光包含有多种偏振，会发生什么？36

如果光是纯偏振光，但偏振不在H或者V方向，

会发生什么？37

这些测量偏振的结果背后有什么物理意义？39

什么是光的相干性？它扮演了什么角色？41

我们可以测量单光子的偏振吗？43

我们如何制备偏振在某一特定方向上的纯偏振态单光子？45

你可以通过量子测量来确定单光子的偏振态吗？45

光的偏振态在经典物理学和量子物理学中的区别是什么？46

我们如何预测光偏振态测量中的概率？47

在量子领域中进行测量到底是什么意思？51

什么是互补测量？52

为什么宏观物体看上去具有确定的性质，但组成它的

量子个体却不具备这种确定性？54

什么是我们所指的物体的“态”？55

什么是量子态？56

鲍勃有可能在实验上确定爱丽丝制备的量子态吗？58

鲍勃能复制(克隆)一个光子的量子态吗？60

什么是量子相干性？61

什么是量子力学的指导性原则？61

量子力学到底描述了什么？63

3应用量子数据加密65

人类可以利用量子物理学来创造出绝对安全的通信网络吗？66

加密是如何使信息保密的？66

绝大部分的加密方法都能被破译，这是真的吗？67

有没有一种无法破译的加密方式？69

文本信息在二进制编码中如何显示？70

文本信息是如何被二进制密钥加密和解密的？71

光子的偏振态是如何被用来创建安全密钥的？71

量子密钥分发是基于哪些物理学原理？73

量子密钥分发的工作原理是什么？75

如果有窃听者，情况会怎样？78

爱丽丝和鲍勃如何得知窃听者伊夫是否存在？80

如果伊夫一直存在怎么办？81

伊夫有可能使用其他更好的窃听方式吗？83

量子密钥分发的研究现状是什么？83

4量子行为85

在没有被测量的情况下，量子物体的行为是什么？86

电子和弹珠的行为有什么区别？86

为什么电子总是落到山羊上？88

如果我们改变设置，结果会怎么样呢？89

如果我们挡住一条路径，会发生什么？90

到目前为止，我们可以得出什么结论？91

我们可以测量电子运动的路径吗？92

为什么我们不能把同样的逻辑用在弹珠上呢？93

什么是共轭表现？94

有没有其他共轭过程的例子来说明主要论点？96

一个过程如果是共轭的，会有哪些进一步的后果？97

在双路径实验里，物质的表现可不可以和光子的表现相同？100

光子的表现会不会偶尔符合经典概率论？102

我们如何把上述的讨论总结为一个物理学原理？103

在量子物理学中，什么是一次测量？104

一个量子物体可以同时出现在两个地点吗？104

量子密钥分发是如何利用共轭过程这个概念的？105

量子理论如何描述具有两种可能性的态？106

量子理论是如何描述一个拥有两条可通过路径的电子的？106

状态箭头可以用来代表宏观物体的“态”吗？109

结果的概率和量子可能性是如何联系在一起的？109

一个电子是如何被“分离”进入两条路径的？110

当路径干涉出现时，如何使用状态箭头来计算概率？111

如果我们更改其中一条路径，会发生什么？113

我们怎样把上面的想法总结成一个指导性原则？114

如果我们进一步改变路径长度，结果会怎样呢？114

从上面的实验中我们能否推导出一个普适性原则？118

本章的结束语是什么？120

5应用方面——用量子干涉感应重力123

什么是感应技术？124

感应引力强度有什么用途？125

怎样利用量子物理学来感应引力？126

本章的引力干涉仪和前一章的电子干涉仪有什么不同？129

中子干涉仪是一个有实际意义的引力感应器吗？129

6量子概率和波动性131

波这个概念是如何被引入量子理论的？132

什么是波？132

什么是波干涉？134

什么是量子概率波？135

psi波函数是如何掌控其内部时序的？137

是什么决定了粒子内部时钟的循环时间或者频率？138

我们如何把提出的指导性原则结合成一个有条理的

量子理论？140

什么是动量，以及什么可以改变动量？141

什么是能量？143

薛定谔方程是怎样描述量子物体在时空中的运动过程的？144

量子概率波是怎样和概率联系在一起的？146

能否举一个薛定谔方程在应用中的实例？147

一个量子粒子是如何穿过0概率区域的？149

什么是海森堡不确定性原理？150

电子既是粒子又是波的说法正确吗？153

7里程碑和三岔路口155

当你来到三岔路口时，你应该做什么？156

迄今为止，我们有哪些重要的里程碑？157

8定域实在论的终结和贝尔测试163

物理实验可以探究“实在论”的本质吗？164

什么是相关性？它告诉了我们什么？165

能否举一个有关相关性属性的例子？166

能否举一个有关相关性表现的例子？167

相关性是如何被计量的？168

经典相关性和量子相关性的区别是什么？172

什么是实在论，以及我们如何在实验里测试它？173

如何为测试实在论做好准备？175

如果我们只能进行部分测量，那会怎么样呢？178

怎样阻止实验双方之间互通信息？181

什么是定域实在论？183

什么样的实验可以推翻定域实在论？183

对于原子中释放的光子对，是不是任何量子态都能

产生上述结果？191

在上述讨论中，是否有任何漏洞或者瑕疵？192

什么样的实验克服了潜在的瑕疵？193

约翰·贝尔对于这样的实验结果做出了什么评价？193

定域实在论这一观点的崩塌意味着我们必须放弃经典

直觉和经典物理学吗？195

我们应该放弃定域因果原则或者实在论吗？

或者两者都放弃？195

9量子纠缠和隐形传态197

什么是量子纠缠？198

我们如何表示一个复合体的量子态？199

我们如何表示光子对的量子纠缠态？201

我们如何制备处于贝尔纠缠态的光子对？203

贝尔纠缠态是如何违背定域实在论的？204

关于一个量子组合体的组成部分，哪些是你可以知道的？206

在实际情况中，知道了关于量子组合体所能知道的

一切将意味着什么？207

什么是我们利用量子纠缠可以做到，而没有量子纠缠

就做不到的？209

量子纠缠是怎样使量子态的隐形传送变为可能的？210

在爱丽丝那里发生的事会影响鲍勃那边吗？213

量子态的隐形传送是瞬时的吗？214

人类可以被隐形传送吗？215

量子态的隐形传送有什么用？216

10应用——量子计算217

信息是有形的吗？218

什么是计算机？218

计算机是怎么工作的？220

单个逻辑门可以有多小？223

我们可以创造出使用内在量子表现的计算机吗？224

什么是量子比特？225

哪个物理原理区分了经典计算机和量子计算机？226

量子计算机会使用哪些逻辑门？227

我们将如何操作量子计算机？231

为什么质因数分解很难？234

量子计算机如何解决质因数问题？237

量子计算机还能解决计算机科学中的其他难题吗？239

量子计算机可以解决哪些物理和化学难题？241

为什么制造量子计算机如此艰难？244

制造量子计算机的前景如何？245

用哪些方法有希望制造出量子计算机？246

11能量量子化和原子249

什么是能量量子化？250

为什么当一个粒子受到约束时，能量会被量子化？250

在一个原子中，电子的能量是如何量子化的？253

为什么电子不会停留在势阱的底部？256

原子如何吸收光波？257

一个原子如何辐射出光？260

经典物理学理论中电子围绕原子核进行轨道运动的说法，

在量子物理学理论中变成了什么？260

环形psi波函数和量子尺有什么关系？262

电子的psi波函数在三维空间是什么样的？262

12应用——利用量子技术感应时间、位移和引力265

什么是基于量子物理学的感应技术？266

什么是时间的科学定义？266

什么是时钟？267

我们怎样才能制造出完全相同的时钟？268

为什么基本量子体可以被制成最完美的时钟？269

为什么先进的时钟技术非常重要？270

目前的原子钟有多精确？272

原子钟的基本工作原理是什么？273

最先进的原子钟是如何工作的？275

什么是惯性传感器？278

什么是加速度计？279

常规加速度计是怎么工作的？280

加速度计有什么用途？281

什么是重力仪？它的用途是什么？282

常规重力仪如何工作？282

第一台量子重力仪是如何工作的？284

高级量子重力仪如何工作？285

原子干涉仪可以探测到引力波吗？288

13量子场和它的激发子291

什么是经典物理学中的粒子和场？292

统一了粒子和场这两个概念的量子物理学原理是什么？294

如果我们测量一个量子场，会发生什么？296

网格的量子理论如何被应用到光波上？298

什么是量子场？300

什么是光子？301

粒子和场是同一种事物的不同形态吗？302

场和粒子的统一也适用于电子上吗？302

为什么我们看不到普通物体的出现和消失？304

宇宙是由什么组成的？305

什么是真空？305

基本粒子是怎样获得质量的？307

还有其他事实为量子场的存在提供证据吗？309

对量子场的理解解开了贝尔关系式的谜团吗？311

对量子场的理解解开了量子测量的谜团吗？312

为什么关于量子场的讨论被推迟到接近本书的结尾处？313

14有待解决的问题和争议315

关于量子物理学，有哪些是我们不知道的？316

什么样的自然界是量子理论试图告诉我们的？317

量子理论很明显的一个问题是什么？318

量子纠缠态是如何更新的？321

海森堡的观点解决了“测量难题”吗？323

退相干有什么用？327

“从实际情况出发”，足够吗？328

量子概率是私有的吗？330

这一切都在我的脑海里吗？334

相干性万岁？336

为什么贝尔关系式会出现？341

本书的意义是什么？342

注释345