量子世界是什么样的？

量子世界是什么样的？对于没接触过这方面的人来说，量子力学的印象就是每一部科幻电影里的奇幻概念。很多人坚信里面的知识是正确的。让我带你简单了解一下。了解量子世界是什么样子。

量子世界是什么样子的？1在探索神奇的量子世界之前，我们应该先回顾一下经典世界，也就是我们日常生活的世界。在20世纪之前，我们对经典世界的认识主要来自于牛顿爵士，他是人类历史上最著名的两位科学家之一。

牛顿的早期生活相当悲惨。他出生在英国的一个小村庄。他父亲在他出生前三个月去世了。3岁时，母亲又结婚了，牛顿被交给奶奶抚养。牛顿怨恨母亲抛弃自己，甚至想放火烧了继父的房子。直到他10，继父去世，母亲才搬回来和他一起生活。16岁时，母亲让他辍学帮家里干农活。好在中学校长太爱人才了，去他家游说，像他这样聪明的孩子不读书太可惜了。此外，他的叔叔也表示会在经济上给予帮助，于是牛顿回到了学校。我们应该感谢这位伟大的中学校长:没有他，牛顿爵士就要修一辈子地球。

牛顿18岁考入剑桥大学三一学院。这是世界上最著名的大学之一。孩子们应该知道，世界上有一个很棒的奖项叫诺贝尔奖，包括物理、化学、生理或医学、文学、和平、经济学六大类。迄今为止，剑桥大学三一学院的师生已经获得了32项诺贝尔奖。要知道，整个亚洲，48个国家，40多亿人口，只获得了不到30个诺贝尔奖。然而，获得这么多诺贝尔奖并不是三一学院出名的主要原因。这所学院出名的真正原因是这里有一个牛顿。

牛顿22岁毕业于剑桥大学。那年英国爆发大瘟疫，牛顿回到他家的农场避难。在避难的两年时间里，他做出了影响后世数百年的三大发现，分别是微积分、光谱学和引力。牛顿之所以能够创造这样的奇迹，最重要的原因之一就是他非常努力。比如有一次他邀请一个朋友到家里吃饭，朋友来了，发现牛顿在书房工作。朋友等了又等，就是不出来，就自己吃了一只鸡，剩下一堆骨头就走了。牛顿从书房出来，看到盘子里的骨头，恍然大悟:“我以为我没吃，原来我已经吃过了。”说完，他回到书房里工作。

两年后，牛顿回到剑桥，成为26岁的第二位卢卡斯数学教授。从此，牛顿的一生一帆风顺:29岁当选为英国皇家学会院士，46岁当选英国议会议员，56岁成为皇家薄荷主任，60岁成为皇家学会院长。牛顿是历史上第一个被封爵的科学家，也是历史上第一个享受国葬待遇的科学家。他死后，一位诗人专门写了一首赞美他的诗，诗中说:“自然的法则隐藏在黑暗之中。上帝说，‘放过牛顿’，然后世界就有了光明。”

牛顿爵士为什么会获得如此高的声誉？因为他写了一本非常伟大的学术著作，叫做《自然哲学的数学原理》。

在这本书中，牛顿爵士建立了一门全新的学科，叫做经典力学，也叫牛顿力学。其核心是牛顿三定律和万有引力定律。

牛顿第一定律说，如果没有外力，物体会一直保持原来的运动状态。孩子在日常生活中经常会有这样的体验:你在家里玩游戏很开心，妈妈突然叫你去外面做运动你肯定会觉得很无聊；再比如你在外面玩得正开心，你妈突然叫你回家吃饭，你肯定不会愿意。同样，一个静止的物体，如果你不推它，它永远不会动；在真空中运动的物体不会停止，除非你让它停下来。在物理学中，我们把一个物体想要保持原来运动状态的特性叫做惯性，所以牛顿第一定律也叫惯性定律。

牛顿第二定律说，力可以改变物体的运动速度。我们可以想象，一个静止的物体，当你推它的时候，它会运动；一个运动的物体，如果你抓住它，它就会停下来。另一点至关重要:物体质量越大，改变其运动状态所需的力就越大。比如有一辆玩具车朝你开过来。要阻止它，你只需要伸出手抓住它。但是如果真的有车朝你开过来，你想拦，一般人是做不到的。你必须成为像超人一样的超级英雄。我们可以把牛顿第二定律看作是一个懒惰定律:一个人越懒，他的惰性就越大，越难改变。同样，物体质量越大，惯性越大，越难改变。

牛顿第三定律说，如果你对一个物体施加一个作用力，你会得到该物体一个大小相等方向相反的反作用力。例如，许多孩子，尤其是男孩，喜欢击球。当你击球时，你会感到双手疼痛。这是因为当你拍球时，你的手对球施加一个力，球反过来会给你的手一个相等的反作用力。拍手越用力，手就会越疼，因为球对手的反作用力也会相应增大。

除了这三个运动定律，牛顿爵士还发现了一个关于力的新定律，叫做万有引力定律。它说的是任何两个有质量的物体之间都存在相互的吸引力，其大小与两个物体质量的乘积成正比，与两个物体之间距离的平方成反比。这种力量在整个宇宙中无处不在。例如，正是这种力量使成熟的苹果从树上落下。再举个例子，就是这个力让月亮绕着地球转，让行星绕着太阳转。这种无处不在的吸引力被称为引力。

这些定律很简单，对吗？但是不要小看这些简单的规律。有了它们，我们可以预测太阳什么时候从东方升起，月亮什么时候圆，什么时候缺。而这些预测可以精确到分钟、秒，甚至更短的时间。在宏观的世界里，也就是我们日常生活的世界里，大到日月星辰，小到江河湖海，小到柴米油盐，牛顿爵士发现的这些规律都可以准确描述。

由于牛顿力学的巨大成功，20世纪以前的科学家普遍认为牛顿三大定律和万有引力定律是主宰整个宇宙的终极真理。代表人物之一是法国著名数学家和物理学家拉普拉斯。

拉普拉斯在18岁时带着推荐信去了巴黎，希望能见到著名科学家达朗贝尔。达朗贝尔把他当成一个小男孩，把他拒之门外。拉普拉斯把自己写的一篇论文送给了达朗贝尔。达朗贝尔看完报纸后，态度来了个180度大转弯，180。他不仅立刻见到了拉普拉斯，还主动提出做他的教父。后来甚至推荐他去军校教书。所以，当你足够优秀的时候，最好的推荐人其实是你自己。

在那所军校里，拉普拉斯和一个矮个子学生有着密切的关系，他就是拿破仑，这位日后对欧洲产生巨大影响的将军。随着拿破仑一步步登上法国权力的顶峰，拉普拉斯也步其后尘。拿破仑称帝时，甚至被任命为法国内政部长，相当于中国的公安部长。不幸的是，尽管拉普拉斯在科学研究方面是个好手，但在行政管理方面却是个彻头彻尾的失败者。在内政大臣的职位上只呆了六个星期，拿破仑就被解除了职务。

拉普拉斯是牛顿力学的忠实信徒。他曾经说过，我们可以把宇宙现在的状态看作是它过去的结果和未来的原因。如果一个聪明人能知道某一时刻所有的力和所有物体的运动状态，那么未来就会像过去一样出现在他面前。这个被拉普拉斯称为全知全能的智者，后来被称为“拉普拉斯妖”。这种认为牛顿力学强大到足以决定未来的观点被称为决定论，直到20世纪，这一直是学术界的主流观点。

决定论盛行的最好例子是拉普拉斯自己的故事。他用牛顿力学计算了太阳系所有行星的运动，然后写了一本叫《天体力学》的书，献给登上王位的拿破仑。拿破仑看完书后问他:“你的书都是关于天上的事。你为什么一个字也不提上帝？”拉普拉斯回答说:“陛下，在我的理论中，没有必要假设上帝的存在。”

但是20世纪以后，科学家发现牛顿力学其实只适用于我们日常生活的宏观世界，而在尺度特别小的微观世界就行不通了。

孩子们，来和我一起做一个简单的思维实验。一块石头，用锤子打碎，会变成一块小石头；这块小石头也可以被打碎成更小的石头。如果你一直敲，你最终会敲出最小的石头，而且无论你怎么敲，你都不能再分了。这种最小的“石头”叫做原子。原子的概念是由古希腊人在2000多年前提出的。但是，古希腊人所说的原子，完全是一种哲学思辨。第一个科学解释原子概念的人是著名的奥地利物理学家玻尔兹曼。

讲一个关于玻尔兹曼的有趣故事。玻尔兹曼是一个非常奇怪的老师。他上课不爱在黑板上写字，却一个人在讲台上一直讲。有同学跟他抱怨说，老师，你以后要在黑板上写公式，光靠讲不讲我们也记不住。玻尔兹曼同意了。但是第二天，他又在课堂上讲了，最后总结道:看这个问题，一加一等于二这么简单。然后他突然想起自己对学生的最后一个承诺，于是拿起粉笔在黑板上工整地写下“1+1=2”。

玻尔兹曼一直认为世界是由原子构成的，并以此为基础创立了一门叫做统计力学的学科。但当时人们普遍不相信原子论，所以在学术界，玻尔兹曼有一大批反对者。这些人常年攻击原子论，甚至直接攻击玻尔兹曼本人，让他感到非常痛苦。玻尔兹曼曾觉得自己是“一个与时代潮流抗争的弱者”。但是玻尔兹曼并不孤单，一位年轻的德国科学家站在他一边。但是，玻尔兹曼心高气傲，觉得支持他的德国人都是无名小卒，根本不在乎。然而，这位德国科学家不是别人，正是日后被称为“量子论之父”的普朗克。

现在科学研究已经证明原子确实存在。但是，它的体积非常小，只有1米的十亿分之一。有多小？如果地球上的每个人都变得像一个原子那么小，把他们一个个堆起来，还不如一个身高1米的孩子高。但是原子不是最基本的粒子。在原子的中心，有一个带正电的原子核，其大小只有原子的十分之一。原子核外是带负电的电子，体积较小。

我们已经说过，世界上所有的物质都是由原子构成的。除了原子，还有一种常见的东西，那就是光。科学家早在19世纪就发现，光其实是一种以光速传播的波。什么是波？波是某物在传播过程中振动的现象。例如，水波是由水的振动产生的。再比如，声波是空气振动产生的。波也有能量:频率越高，波长越短，能量越高。

上图中，中间有颜色的部分就是我们眼睛能看到的光，叫做可见光。雨后天空中经常出现美丽的彩虹，彩虹有七种不同的颜色:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。可见光的频率范围在红光和紫光之间。红光的频率最低，波长最长，能量最低。紫光频率最高，波长最短，能量最高。比红光能量少的是红外线，可用于制造夜视装置、遥控电视和空调。比红外线能量小的是微波，可以用来加热物体。我们家用的微波炉就是利用微波能量的特性来加热物体的。还有比微波能量更低的东西，那就是无线电。我们的电视、收音机、手机、无线网络信号都是通过无线电传输的。

我刚才说的是低能的光。先说高能的光。比紫光更有能量的是紫外线。如果我们长时间呆在阳光下，我们的皮肤会被晒伤，而晒伤我们的是紫外线。高于紫外线能量的是X射线。x射线有很强的穿透力。我们去医院体检拍x光的时候，用的是x光。比X射线能量更高的是伽马射线。伽马射线的能量非常高，所以可以作为特殊的手术刀给病人做手术。

刚才我们说了，科学家早在19世纪就发现了光是以光速传播的波。但是在1900年，前面提到的普朗克有了一个惊人的发现:物体热辐射发出的光的能量不是连续的，而是一部分，大小等于光的频率乘以一个小常数，叫做普朗克常数。我们所说的“量子化”，其实是指物理量本身是不连续的，总是一个一个分布的。换句话说，在量子世界中，总有一个物理量的最小值，它不能像经典世界那样直接趋于零。这个伟大的发现打开了量子世界的大门，普朗克在1918年获得了诺贝尔物理学奖。

关于普朗克有一个有趣的故事。获奖后，普朗克经常被邀请到各大学讲学。由于举报内容相同，久而久之，他的司机也能说出来。有一次，司机跟普朗克说，你的报告我已经背下来了，让我去听下一节课。普朗克同意了。于是在接下来的演讲中，司机代替普朗克去做报告，顺利完成。但在接下来的观众提问环节，有观众问了一个技术问题，直接难倒了司机。好在司机反应很快，回答道:“这个问题很简单。连我台下的司机都能答出来。让他告诉你。”然后坐在台下的普朗克上台拯救现场。

1905年，伟大的物理学家爱因斯坦在人类认识量子世界的道路上又前进了一步。他指出，光实际上是一种叫做光子的粒子。

我们已经告诉过你，人类历史上有两位最著名的科学家。其中一位是牛顿爵士，另一位是爱因斯坦。与牛顿爵士相似，爱因斯坦的早期生活也并不顺利。爱因斯坦出生在德国的一个犹太家庭。为了不在德国军队服役，他去了瑞士的一所大学学习。结果第一年高考失利，第二年考上了苏黎世理工。爱因斯坦相当傲慢，在大学期间经常不听讲座。更糟糕的是，当时的大学课堂并不像现在这样。上大班的时候，一个教室有几十个甚至上百个学生，你不去，老师可能发现不了。但是爱因斯坦上大学的时候，一个教室只有10个学生。你不去，老师就抓一个。因为爱因斯坦经常不去上课，所以他的老师对他很不满意。当时他们物理系的系主任韦伯批评爱因斯坦不听别人的意见。这导致了一个非常严重的后果，就是爱因斯坦毕业的时候，没有在大学里找到工作。

大学毕业两年后，爱因斯坦过得很艰难。他曾经在中学教书，给孩子做家教，甚至做过一段时间的无业人员。后来在一个大学朋友父亲的帮助下，我在伯尔尼专利局找到了一份稳定的工作。这份工作工资不高，但相对自由，让爱因斯坦有时间从事他热爱的物理研究。

1905年，原本默默无闻的爱因斯坦突然进入了人们的视野。一年时间，他做出了震惊世界的三大发现，分别是狭义相对论、布朗运动和光电效应。由于爱因斯坦的神奇表现，人们后来把1905称为“爱因斯坦的奇迹年”。在爱因斯坦的三大发现中，光电效应是认识量子世界道路上的第二步，爱因斯坦以1921获得诺贝尔物理学奖。

——本文选自李苗民主与建设出版社《给孩子讲量子力学》。详情请阅读原文。

量子世界是什么样的？2什么是量子？根据量子论，量子是物质最基本的单位，也是能量最基本的载体，两者不可分割。如果一个事物有最小的不可分的基本单位，我们可以说它是量子化的，称最小单位为量子。所有众所周知的分子、原子、电子、光子等微观粒子都是量子的一种表现形式。

为什么量子技术很重要？

首先，量子力学建立后，成为整个微观物理学的理论框架，带来了后面的一个又一个成功。量子力学解释化学。元素周期表，化学反应，化学键，分子的稳定性，都是量子力学定律造成的。

量子力学帮助我们理解宇宙。我们的宇宙跨越了各种尺度，从光到基本粒子，到原子核，再到原子、分子和大量原子组成的凝聚态物质。量子力学在理解这些方面起着重要作用，因此成为现代技术的基础。

在微观尺度上，各种基本力的统一是理论物理中的一个重大问题，它依赖于量子力学。其他未解之谜，如暗物质和暗能量，也依赖于量子力学。

很多天文现象，比如恒星发光、白矮星和脉冲星、太阳中微子振荡、宇宙背景辐射，甚至宇宙结构的起源，都是因为量子力学的定律。

许多材料特性，如导体、绝缘体、磁体、超导性等。源于电子的量子行为。量子力学带来了丰富的技术和应用，深刻地改变了人类的文明和历史。它允许我们从核能中获得新能源，也允许我们更有效地利用太阳能。核弹影响了世界历史，而核电是核能的和平利用。

量子力学为信息革命提供了硬件基础。激光、半导体晶体管、芯片的原理都来自量子力学。量子力学还使磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位和导航等新技术成为可能。没有量子力学，互联网和智能手机就不会存在。量子力学还为材料科学技术、医学和生物学提供分析工具，包括X射线、电子显微镜、正电子湮没、光学和磁共振成像等。

早在20世纪90年代，诺贝尔物理学奖获得者莱德曼就指出，量子力学贡献了当时美国三分之一的国内生产总值。如今，这一比例甚至更高。对于我国来说，量子技术的市场前景也相当广阔，发展速度极快。就我国量子通信产业而言，2017年市场规模将达到18亿元，预计到2023年将达到805亿元。

相比较而言，中国在量子计算领域还处于追赶世界先进水平的阶段。在量子通信领域，中国一直走在世界前列。2016年，我国墨子号实验卫星的成功发射，标志着我国量子通信产业化的开始。2017年，全球首条长距离量子保密通信骨干网“京沪干线”正式建成开通。与传统通信方式相比，量子通信具有长期、高安全性的特点，完全可以满足政务、国防、金融等敏感领域信息传输的保密要求。同时，量子通信产业也是近代以来中国开辟的第一个全新的产业，具有里程碑式的意义。

所谓量子通信，简单来说就是利用量子力学的相关原理解决信息安全问题的通信技术。其中，一个著名的原理就是量子纠缠。一般来说，量子系统中一个物理量的值是不能预先确定的，而是要看采用什么测量依据；再者，对于量子纠缠中的两个粒子，一个粒子的测量结果会瞬间决定另一个粒子的状态，无论它们相距多远。这种被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”是量子通信的理论基础。

传统的通信方法是基于加密算法或加密技术。如果计算能力强到可以破解加密算法，就有被窃听的风险。量子独有的特性使其具有不可克隆性、不确定性等“先天优势”。利用量子“密钥”传输信息，加密内容不会被破译，窃听者会被“抓住”，为解决信息加密的“瓶颈”提供了解决方案。

向着保密通信的梦想努力奔跑——墨子量子科学实验卫星中国2016年8月发射，2017年，星地量子密钥分发成功率已达10 kbps，成功验证了星地量子密钥分发的可行性。目前，经过系统优化，密钥分发的码率已经达到100千比特每秒(kbps)的量级，具有初步的实用价值。

1120公里！2020年，“墨子号”量子科学实验卫星取得新成果:科学家利用“墨子号”作为量子纠缠源，将量子纠缠分发到两个遥远的地方，在国际上首次实现了基于纠缠的量子密钥分发——为量子通信的实际应用奠定了重要基础。

当今世界正在经历一场百年不遇的巨变，科技创新是其中一个关键变量。具体到量子科技领域，仍需加强顶层设计和前瞻性布局，完善政策支持体系，加快基础研究突破和关键核心技术攻关，培养高水平人才队伍，推进产学研协同创新。这些工作不仅可以依靠科技工作者的辛勤劳动，还需要各级党委政府的战略判断、高度支持和统筹协调，需要各级政府部门高度重视科技创新发展，学习新知识，掌握新趋势。

我们期待，在世界新一轮科技革命和产业变革中，中国能够抢占科技发展国际竞争制高点，构筑发展新优势——量子技术将成为最璀璨的明珠之一。