「量子」是我們的老朋友
施鬱
量子力學最重要的特徵，是它的描述是概率性的[1]。
在我們日常生活中，也使用概率的說法。比如扔骰子，每個面朝上都有可能，概率大概1/6。但是這種概率是基於對細節的忽略。如果我們知道骰子運動的力學細節，原則上我們可以預言每次扔骰子的結果。
而在量子力學中，概率是實質性的。關鍵在於，我們使用的最基本的概念是「概率的開方」，稱作波函數或者概率幅，比概率信息更豐富，就好比複數比實數的信息豐富。德布羅意所說的物質波本質上就是波函數。因為是一種波，所以有幹涉效應，兩種可能性疊加的概率不一定是原先兩個概率相加。
量子力學建立以後，成為整個微觀物理學的理論框架，取得一個又一個的成功[1]。
量子力學解釋了化學。元素周期表、化學反應、化學鍵、分子的穩定性等等，都是在電子和原子核的電磁力作用下，量子力學規律所導致。所以狄拉克在1929年就說：「整個化學所依賴的物理定律已經完全知道了。」
量子力學幫助我們理解宇宙。我們的宇宙跨越各種尺度，從最小、最微觀的基本粒子到原子分子，到我們可以看見的宏觀世界，到天體，到整個宇宙。從光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子構成的凝聚態物質，量子力學都起了重要的作用，也因此成為現代技術的基礎。
在微觀的尺度上，電磁力和弱相互作用（主宰中子衰變為質子從而導致放射性）已經統一為電弱相互作用，這是量子場論（量子力學與狹義相對論的結合）的成功[1]。在更微觀的尺度上，電弱相互作用可能與強相互作用（將夸克結合為核子的力量）統一，但是還沒有成功。在更加微觀的尺度上，它們還可能與引力統一。這些統一問題依賴於量子力學，都還沒有解決。其他的未解之謎，比如暗物質和暗能量，答案也依賴於量子力學。
很多天體物理過程，例如太陽這樣的恆星發光，白矮星和脈衝星的存在，以及剛才說過的宇宙背景輻射的存在，都是因為量子力學規律。太陽發出的中微子到達地球時，一部分變成其他類型的中微子，這本質上就是量子概率幅的振蕩。
宇宙大爆炸丨圖源The Escapist
整個宇宙起源於大爆炸，然後一直膨脹。所以在宇宙誕生的早期，宇宙就像一鍋基本粒子的湯，受量子力學支配。所以不少人用咬尾蛇來象徵最大和最小的統一。在宇宙早期，量子力學決定了我們的宇宙中有多少氫和氦。後來重原子核在恆星中的合成也是量子力學決定的。大尺度上，我們的宇宙中有星繫結構。追根溯源，宇宙結構的形成是因為最初量子力學導致的漲落，這是量子力學的概率本性決定的。終結問題——為什麼有宇宙存在，而不是什麼也沒有，也需要用量子力學去尋找答案，不管能不能找到。
各種材料的物理性質在很大程度上是因為材料中電子的量子力學行為。比如導體和絕緣體的區別，比如磁性的起源，超導電性的原因，如此等等。
量子力學帶來了非常豐富的應用，深刻地改變了我們人類社會的文明。它讓我們擁有了新的能源：來自原子核的能量，也讓我們能夠更有效地利用太陽能。核彈影響了世界歷史，而核電則是原子核能量的和平利用。
量子力學為信息革命提供了硬體基礎。雷射、半導體電晶體，晶片的原理都源於量子力學。量子力學也使得磁碟和光碟的信息存儲、發光二極體、衛星定位導航等新技術成為可能。
從x射線到電子顯微鏡、正電子湮沒、光學和核磁共振成像等等，量子力學為材料科學、醫學和生物學提供了分析工具。
所以，量子是我們的老朋友，而不是最近才有的東西。事實上，1990年代，諾貝爾獎得主萊德曼就指出，量子力學貢獻了當時美國國內生產總值的三分之一。現在更是很難找到與量子無關的新技術。所以說，量子力學是當代文明一個重要基礎。
參考文獻：
[1] 施鬱，繼續量子革命，光明日報，2017年05月25日13版.
排版丨刀刀
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