物理世界，正因量子的存在，更為神秘

2020-08-28 天文在線

超低溫原子系統正在突破已知物理學的邊界，甚至可能為量子計算奠定基礎。三月初，《科學美國人》(Scientific American)完成了激動人心的珍藏版《量子宇宙》(Quantum Universe)的最後潤色，該版將於今年在報攤上發售(這並不是個巧妙的廣告)。

在為那期雜誌整理和編輯各種各樣的文章時，我注意到了量子物理學領域的一個共同主題:從觀測的角度來看，我們對量子宇宙的把握是脆弱和短暫的——當你試圖觀察量子糾纏的那一刻，波函數就崩潰了。正是因為這種現象，研究人員才迫切地想要想出新的方法來收集量子測量數據。因此，超低溫量子物理這門學科已經被證明是一個非常令人滿意的研究方向。


正如卡梅拉·巴達維·卡拉漢（Karmela Padavic-Callaghan）在本期封面故事中所寫的那樣，研究人員可以操縱超低溫的原子，並將它們用作量子系統的模型(參見「你聽說過的最酷的物理學/The Coolest Physics You』ve Ever Heard Of」)。能夠對量子實驗有如此的控制，是十分令人欣慰的。


本期的其他文章中，行星科學家卡羅琳·波爾科(Carolyn Porco)與卡爾·薩根(Carl Sagan)討論了從太空拍攝地球的照片(參見「著名的淺色藍點圖像是如何形成的」/How the Celebrated 『Pale Blue Dot』 Image Came to Be)，而諾拉·泰勒·裡德(Nola Taylor Redd)則報導了另一張引人注目的星系圖像:兩個合併的黑洞向視野中噴射出漩渦狀的塵埃和氣體(參見「遇見Spikey，一對可能合併的超大質量黑洞/Meet 『Spikey,』 a Possible Pair of Merging Supermassive Black Holes」)。的確，宇宙中的一些東西會是非常具體的。

本文最初發表在SA空間與物理3,2(2020年4月)上，標題為「最為變幻莫測的領域」。

相關知識

量子力學（英語：quantum mechanics）是物理學的分支學科。它主要描寫微觀的事物，與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱，許多物理學理論和科學，如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科，都是以其為基礎。

1927年第五次索爾維會議，此次會議主題為「電子和光子」，世界上最主要的物理學家聚集在一起討論新近表述的量子理論。

19世紀末，人們發現舊有的經典理論無法解釋微觀系統，於是經由物理學家的努力，在20世紀初創立量子力學，解釋了這些現象。量子力學從根本上改變人類對物質結構及其相互作用的理解。除了透過廣義相對論描寫的引力外，迄今所有基本相互作用均可以在量子力學的框架內描述（量子場論）。

普朗克定律（綠）、維恩定律（藍）和瑞利-金斯定律（紅）在頻域下的比較，可見維恩定律在高頻區域和普朗克定律相符，瑞利-金斯定律在低頻區域和普朗克定律相符。

量子理論的重要應用包括量子化學、量子光學、量子計算、超導磁體、發光二極體、雷射器、電晶體和半導體如微處理器等。

按照氫原子或類氫原子的玻爾模型，帶負價的電子被局限於原子殼層，它們環繞著尺寸很小的帶正價原子核。電子從一個能量較高的軌道躍遷到能量較低的軌道時，會以電磁波的形式將能量差釋出。[5]:49-82

愛因斯坦可能是在科學文獻中最先給出術語「量子力學」的物理學者。

作者: Andrea Gawrylewski

FY: -Fallon湘

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