量子世界是什麽樣的？對於沒接觸過這方面的人來說，量子力學的印象就是每壹部科幻電影裏的奇幻概念。很多人堅信裏面的知識是正確的。讓我帶妳簡單了解壹下。了解量子世界是什麽樣子。
量子世界是什麽樣子的？1在探索神奇的量子世界之前，我們應該先回顧壹下經典世界，也就是我們日常生活的世界。在20世紀之前，我們對經典世界的認識主要來自於牛頓爵士，他是人類歷史上最著名的兩位科學家之壹。
牛頓的早期生活相當悲慘。他出生在英國的壹個小村莊。他父親在他出生前三個月去世了。3歲時，母親又結婚了，牛頓被交給奶奶撫養。牛頓怨恨母親拋棄自己，甚至想放火燒了繼父的房子。直到他10，繼父去世，母親才搬回來和他壹起生活。16歲時，母親讓他輟學幫家裏幹農活。好在中學校長太愛人才了，去他家遊說，像他這樣聰明的孩子不讀書太可惜了。此外，他的叔叔也表示會在經濟上給予幫助，於是牛頓回到了學校。我們應該感謝這位偉大的中學校長:沒有他，牛頓爵士就要修壹輩子地球。
牛頓18歲考入劍橋大學三壹學院。這是世界上最著名的大學之壹。孩子們應該知道，世界上有壹個很棒的獎項叫諾貝爾獎，包括物理、化學、生理或醫學、文學、和平、經濟學六大類。迄今為止，劍橋大學三壹學院的師生已經獲得了32項諾貝爾獎。要知道，整個亞洲，48個國家，40多億人口，只獲得了不到30個諾貝爾獎。然而，獲得這麽多諾貝爾獎並不是三壹學院出名的主要原因。這所學院出名的真正原因是這裏有壹個牛頓。
牛頓22歲畢業於劍橋大學。那年英國爆發大瘟疫，牛頓回到他家的農場避難。在避難的兩年時間裏，他做出了影響後世數百年的三大發現，分別是微積分、光譜學和引力。牛頓之所以能夠創造這樣的奇跡，最重要的原因之壹就是他非常努力。比如有壹次他邀請壹個朋友到家裏吃飯，朋友來了，發現牛頓在書房工作。朋友等了又等，就是不出來，就自己吃了壹只雞，剩下壹堆骨頭就走了。牛頓從書房出來，看到盤子裏的骨頭，恍然大悟:“我以為我沒吃，原來我已經吃過了。”說完，他回到書房裏工作。
兩年後，牛頓回到劍橋，成為26歲的第二位盧卡斯數學教授。從此，牛頓的人生壹帆風順:29歲當選皇家學會院士，46歲當選英國議會議員，56歲成為皇家鑄幣局局長，60歲成為皇家學會院長。牛頓是歷史上第壹個被封爵的科學家，也是歷史上第壹個享受國葬待遇的科學家。他死後，壹位詩人專門寫了壹首贊美他的詩，詩中說:“自然的法則隱藏在黑暗之中。上帝說，‘放過牛頓’，然後世界就有了光明。”
牛頓爵士為什麽會獲得如此高的聲譽？因為他寫了壹本非常偉大的學術著作，叫做《自然哲學的數學原理》。
在這本書中，牛頓爵士建立了壹門全新的學科，叫做經典力學，也叫牛頓力學。其核心是牛頓三定律和萬有引力定律。
牛頓第壹定律說，如果沒有外力，物體會壹直保持原來的運動狀態。孩子在日常生活中經常會有這樣的體驗:妳在家裏玩遊戲很開心，媽媽突然叫妳去外面做運動妳肯定會覺得很無聊；再比如妳在外面玩得正開心，妳媽突然叫妳回家吃飯，妳肯定不會願意。同樣，壹個靜止的物體，如果妳不推它，它永遠不會動；在真空中運動的物體不會停止，除非妳讓它停下來。在物理學中，我們把壹個物體想要保持原來運動狀態的特性叫做慣性，所以牛頓第壹定律也叫慣性定律。
牛頓第二定律說，力可以改變物體的運動速度。我們可以想象，壹個靜止的物體，當妳推它的時候，它會運動；壹個運動的物體，如果妳抓住它，它就會停下來。另壹點至關重要:物體質量越大，改變其運動狀態所需的力就越大。比如有壹輛玩具車朝妳開過來。要阻止它，妳只需要伸出手抓住它。但是如果真的有車朝妳開過來，妳想攔，壹般人是做不到的。妳必須成為像超人壹樣的超級英雄。我們可以把牛頓第二定律看作是壹個懶惰定律:壹個人越懶，他的惰性就越大，越難改變。同樣，物體質量越大，慣性越大，越難改變。
牛頓第三定律說，如果妳對壹個物體施加壹個作用力，妳會得到該物體壹個大小相等方向相反的反作用力。例如，許多孩子，尤其是男孩，喜歡擊球。當妳擊球時，妳會感到雙手疼痛。這是因為當妳拍球時，妳的手對球施加壹個力，球反過來會給妳的手壹個相等的反作用力。拍手越用力，手就會越疼，因為球對手的反作用力也會相應增大。
除了這三個運動定律，牛頓爵士還發現了壹個關於力的新定律，叫做萬有引力定律。它說的是任何兩個有質量的物體之間都存在相互的吸引力，其大小與兩個物體質量的乘積成正比，與兩個物體之間距離的平方成反比。這種力量在整個宇宙中無處不在。例如，正是這種力量使成熟的蘋果從樹上落下。再舉個例子，就是這個力讓月亮繞著地球轉，讓行星繞著太陽轉。這種無處不在的吸引力被稱為引力。
這些定律很簡單，對嗎？但是不要小看這些簡單的規律。有了它們，我們可以預測太陽什麽時候從東方升起，月亮什麽時候圓，什麽時候缺。而這些預測可以精確到分鐘、秒，甚至更短的時間。在宏觀的世界裏，也就是我們日常生活的世界裏，大到日月星辰，小到江河湖海，小到柴米油鹽，牛頓爵士發現的這些規律都可以準確描述。
由於牛頓力學的巨大成功，20世紀以前的科學家普遍認為牛頓三大定律和萬有引力定律是主宰整個宇宙的終極真理。代表人物之壹是法國著名數學家和物理學家拉普拉斯。
拉普拉斯在18歲時帶著推薦信去了巴黎，希望能見到著名科學家達朗貝爾。達朗貝爾把他當成壹個小男孩，把他拒之門外。拉普拉斯把自己寫的壹篇論文送給了達朗貝爾。達朗貝爾看完報紙後，態度來了個180度大轉彎，180。他不僅立刻見到了拉普拉斯，還主動提出做他的教父。後來甚至推薦他去軍校教書。所以，當妳足夠優秀的時候，最好的推薦人其實是妳自己。
在那所軍校裏，拉普拉斯和壹個矮個子學生有著密切的關系，他就是拿破侖，這位日後對歐洲產生巨大影響的將軍。隨著拿破侖壹步步登上法國權力的頂峰，拉普拉斯也步其後塵。拿破侖稱帝時，甚至被任命為法國內政部長，相當於中國的公安部長。不幸的是，盡管拉普拉斯在科學研究方面是個好手，但在行政管理方面卻是個徹頭徹尾的失敗者。在內政大臣的職位上只呆了六個星期，拿破侖就被解除了職務。
拉普拉斯是牛頓力學的忠實信徒。他曾經說過，我們可以把宇宙現在的狀態看作是它過去的結果和未來的原因。如果壹個聰明人能知道某壹時刻所有的力和所有物體的運動狀態，那麽未來就會像過去壹樣出現在他面前。這個被拉普拉斯稱為全知全能的智者，後來被稱為“拉普拉斯妖”。這種認為牛頓力學強大到足以決定未來的觀點被稱為決定論，直到20世紀，這壹直是學術界的主流觀點。
決定論盛行的最好例子是拉普拉斯自己的故事。他用牛頓力學計算了太陽系所有行星的運動，然後寫了壹本叫《天體力學》的書，獻給登上王位的拿破侖。拿破侖看完書後問他:“妳的書都是關於天上的事。妳為什麽壹個字也不提上帝？”拉普拉斯回答說:“陛下，在我的理論中，沒有必要假設上帝的存在。”
但是20世紀以後，科學家發現牛頓力學其實只適用於我們日常生活的宏觀世界，而在尺度特別小的微觀世界就行不通了。
孩子們，來和我壹起做壹個簡單的思維實驗。壹塊石頭，用錘子打碎，會變成壹塊小石頭；這塊小石頭也可以被打碎成更小的石頭。如果妳壹直敲，妳最終會敲出最小的石頭，而且無論妳怎麽敲，妳都不能再分了。這種最小的“石頭”叫做原子。原子的概念是由古希臘人在2000多年前提出的。但是，古希臘人所說的原子，完全是壹種哲學思辨。第壹個科學解釋原子概念的人是著名的奧地利物理學家玻爾茲曼。
講壹個關於玻爾茲曼的有趣故事。玻爾茲曼是壹個非常奇怪的老師。他上課不愛在黑板上寫字，卻壹個人在講臺上壹直講。有同學跟他抱怨說，老師，妳以後要在黑板上寫公式，光靠講不講我們也記不住。玻爾茲曼同意了。但是第二天，他又在課堂上講了，最後總結道:看這個問題，壹加壹等於二這麽簡單。然後他突然想起自己對學生的最後壹個承諾，於是拿起粉筆在黑板上工整地寫下“1+1=2”。
玻爾茲曼壹直認為世界是由原子構成的，並以此為基礎創立了壹門叫做統計力學的學科。但當時人們普遍不相信原子論，所以在學術界，玻爾茲曼有壹大批反對者。這些人常年攻擊原子論，甚至直接攻擊玻爾茲曼本人，讓他感到非常痛苦。玻爾茲曼曾覺得自己是“壹個與時代潮流抗爭的弱者”。但是玻爾茲曼並不孤單，壹位年輕的德國科學家站在他壹邊。但是，玻爾茲曼心高氣傲，覺得支持他的德國人都是無名小卒，根本不在乎。然而，這位德國科學家不是別人，正是日後被稱為“量子論之父”的普朗克。
現在科學研究已經證明原子確實存在。但是，它的體積非常小，只有1米的十億分之壹。有多小？如果地球上的每個人都變得像壹個原子那麽小，把他們壹個個堆起來，還不如壹個身高1米的孩子高。但是原子不是最基本的粒子。在原子的中心，有壹個帶正電的原子核，其大小只有原子的十分之壹。原子核外是帶負電的電子，體積較小。
我們已經說過，世界上所有的物質都是由原子構成的。除了原子，還有壹種常見的東西，那就是光。科學家早在19世紀就發現，光其實是壹種以光速傳播的波。什麽是波？波是某物在傳播過程中振動的現象。例如，水波是由水的振動產生的。再比如，聲波是空氣振動產生的。波也有能量:頻率越高，波長越短，能量越高。
上圖中，中間有顏色的部分就是我們眼睛能看到的光，叫做可見光。雨後天空中經常出現美麗的彩虹，彩虹有七種不同的顏色:紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。可見光的頻率範圍在紅光和紫光之間。紅光的頻率最低，波長最長，能量最低。紫光頻率最高，波長最短，能量最高。比紅光能量少的是紅外線，可用於制造夜視裝置、遙控電視和空調。比紅外線能量小的是微波，可以用來加熱物體。我們家用的微波爐就是利用微波能量的特性來加熱物體的。還有比微波能量更低的東西，那就是無線電。我們的電視、收音機、手機、無線網絡信號都是通過無線電傳輸的。
我剛才說的是低能的光。先說高能的光。比紫光更有能量的是紫外線。如果我們長時間呆在陽光下，我們的皮膚會被曬傷，而曬傷我們的是紫外線。高於紫外線能量的是X射線。x射線有很強的穿透力。我們去醫院體檢拍x光的時候，用的是x光。比X射線能量更高的是伽馬射線。伽馬射線的能量非常高，所以可以作為特殊的手術刀給病人做手術。
剛才我們說了，科學家早在19世紀就發現了光是以光速傳播的波。但是在1900年，前面提到的普朗克有了壹個驚人的發現:物體熱輻射發出的光的能量不是連續的，而是壹部分，大小等於光的頻率乘以壹個小常數，叫做普朗克常數。我們所說的“量子化”，其實是指物理量本身是不連續的，總是壹個壹個分布的。換句話說，在量子世界中，總有壹個物理量的最小值，它不能像經典世界那樣直接趨於零。這個偉大的發現打開了量子世界的大門，普朗克在1918年獲得了諾貝爾物理學獎。
關於普朗克有壹個有趣的故事。獲獎後，普朗克經常被邀請到各大學講學。由於舉報內容相同，久而久之，他的司機也能說出來。有壹次，司機跟普朗克說，妳的報告我已經背下來了，讓我去聽下壹節課。普朗克同意了。於是在接下來的演講中，司機代替普朗克去做報告，順利完成。但在接下來的觀眾提問環節，有觀眾問了壹個技術問題，直接難倒了司機。好在司機反應很快，回答道:“這個問題很簡單。連我臺下的司機都能答出來。讓他告訴妳。”然後坐在臺下的普朗克上臺拯救現場。
1905年，偉大的物理學家愛因斯坦在人類認識量子世界的道路上又前進了壹步。他指出，光實際上是壹種叫做光子的粒子。
我們已經告訴過妳，人類歷史上有兩位最著名的科學家。其中壹位是牛頓爵士，另壹位是愛因斯坦。與牛頓爵士相似，愛因斯坦的早期生活也並不順利。愛因斯坦出生在德國的壹個猶太家庭。為了不在德國軍隊服役，他去了瑞士的壹所大學學習。結果第壹年高考失利，第二年考上了蘇黎世理工。愛因斯坦相當傲慢，在大學期間經常不聽講座。更糟糕的是，當時的大學課堂並不像現在這樣。上大班的時候，壹個教室有幾十個甚至上百個學生，妳不去，老師可能發現不了。但是愛因斯坦上大學的時候，壹個教室只有10個學生。妳不去，老師就抓壹個。因為愛因斯坦經常不去上課，所以他的老師對他很不滿意。當時他們物理系的系主任韋伯批評愛因斯坦不聽別人的意見。這導致了壹個非常嚴重的後果，就是愛因斯坦畢業的時候，沒有在大學裏找到工作。
大學畢業兩年後，愛因斯坦過得很艱難。他曾經在中學教書，給孩子做家教，甚至做過壹段時間的無業人員。後來在壹個大學朋友父親的幫助下，我在伯爾尼專利局找到了壹份穩定的工作。這份工作工資不高，但相對自由，讓愛因斯坦有時間從事他熱愛的物理研究。
1905年，原本默默無聞的愛因斯坦突然進入了人們的視野。壹年時間，他做出了震驚世界的三大發現，分別是狹義相對論、布朗運動和光電效應。由於愛因斯坦的神奇表現，人們後來把1905稱為“愛因斯坦的奇跡年”。在愛因斯坦的三大發現中，光電效應是認識量子世界道路上的第二步，愛因斯坦以1921獲得諾貝爾物理學獎。
——本文選自李苗民主與建設出版社《給孩子講量子力學》。詳情請閱讀原文。
量子世界是什麽樣的？2什麽是量子？根據量子論，量子是物質最基本的單位，也是能量最基本的載體，兩者不可分割。如果壹個事物有最小的不可分的基本單位，我們可以說它是量子化的，稱最小單位為量子。所有眾所周知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子都是量子的壹種表現形式。
為什麽量子技術很重要？
首先，量子力學建立後，成為整個微觀物理學的理論框架，帶來了後面的壹個又壹個成功。量子力學解釋化學。元素周期表，化學反應，化學鍵，分子的穩定性，都是量子力學定律造成的。
量子力學幫助我們理解宇宙。我們的宇宙跨越了各種尺度，從光到基本粒子，到原子核，再到原子、分子和大量原子組成的凝聚態物質。量子力學在理解這些方面起著重要作用，因此成為現代技術的基礎。
在微觀尺度上，各種基本力的統壹是理論物理中的壹個重大問題，它依賴於量子力學。其他未解之謎，如暗物質和暗能量，也依賴於量子力學。
很多天文現象，比如恒星發光、白矮星和脈沖星、太陽中微子振蕩、宇宙背景輻射，甚至宇宙結構的起源，都是因為量子力學的定律。
許多材料特性，如導體、絕緣體、磁體、超導性等。源於電子的量子行為。量子力學帶來了豐富的技術和應用，深刻地改變了人類的文明和歷史。它允許我們從核能中獲得新能源，也允許我們更有效地利用太陽能。核彈影響了世界歷史，而核電是核能的和平利用。
量子力學為信息革命提供了硬件基礎。激光、半導體晶體管、芯片的原理都來自量子力學。量子力學還使磁盤和光盤的信息存儲、發光二極管、衛星定位和導航等新技術成為可能。沒有量子力學，互聯網和智能手機就不會存在。量子力學還為材料科學技術、醫學和生物學提供分析工具，包括X射線、電子顯微鏡、正電子湮沒、光學和磁共振成像等。
早在20世紀90年代，諾貝爾物理學獎獲得者萊德曼就指出，量子力學貢獻了當時美國三分之壹的國內生產總值。如今，這壹比例甚至更高。對於我國來說，量子技術的市場前景也相當廣闊，發展速度極快。就我國量子通信產業而言，2017年市場規模將達到18億元，預計到2023年將達到805億元。
相比較而言，中國在量子計算領域還處於追趕世界先進水平的階段。在量子通信領域，中國壹直走在世界前列。2016年，我國墨子號實驗衛星的成功發射，標誌著我國量子通信產業化的開始。2017年，全球首條長距離量子保密通信骨幹網“京滬幹線”正式建成開通。與傳統通信方式相比，量子通信具有長期、高安全性的特點，完全可以滿足政務、國防、金融等敏感領域信息傳輸的保密要求。同時，量子通信產業也是近代以來中國開辟的第壹個全新的產業，具有裏程碑式的意義。
所謂量子通信，簡單來說就是利用量子力學的相關原理解決信息安全問題的通信技術。其中，壹個著名的原理就是量子糾纏。壹般來說，量子系統中壹個物理量的值是不能預先確定的，而是要看采用什麽測量依據；再者，對於量子糾纏中的兩個粒子，壹個粒子的測量結果會瞬間決定另壹個粒子的狀態，無論它們相距多遠。這種被愛因斯坦稱為“幽靈般的超距作用”是量子通信的理論基礎。
傳統的通信方法是基於加密算法或加密技術。如果計算能力強到可以破解加密算法，就有被竊聽的風險。量子獨有的特性使其具有不可克隆性、不確定性等“先天優勢”。利用量子“密鑰”傳輸信息，加密內容不會被破譯，竊聽者會被“抓住”，為解決信息加密的“瓶頸”提供了解決方案。
向著保密通信的夢想努力奔跑——墨子量子科學實驗衛星中國2016年8月發射，2017年，星地量子密鑰分發成功率已達10 kbps，成功驗證了星地量子密鑰分發的可行性。目前，經過系統優化，密鑰分發的碼率已經達到100千比特每秒(kbps)的量級，具有初步的實用價值。
1120公裏！2020年，“墨子號”量子科學實驗衛星取得新成果:科學家利用“墨子號”作為量子糾纏源，將量子糾纏分發到兩個遙遠的地方，在國際上首次實現了基於糾纏的量子密鑰分發——為量子通信的實際應用奠定了重要基礎。
當今世界正在經歷壹場百年不遇的巨變，科技創新是其中壹個關鍵變量。具體到量子科技領域，仍需加強頂層設計和前瞻性布局，完善政策支持體系，加快基礎研究突破和關鍵核心技術攻關，培養高水平人才隊伍，推進產學研協同創新。這些工作不僅可以依靠科技工作者的辛勤勞動，還需要各級黨委政府的戰略判斷、高度支持和統籌協調，需要各級政府部門高度重視科技創新發展，學習新知識，掌握新趨勢。
我們期待，在世界新壹輪科技革命和產業變革中，中國能夠搶占科技發展國際競爭制高點，構築發展新優勢——量子技術將成為最璀璨的明珠之壹。