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解讀神秘的量子力學,它為什麼如此詭異?

2025-01-31 10:28:44

20世紀物理學的壯麗篇章中,不僅有相對論與規範場論的輝煌,同樣閃耀著量子力學的奇異光輝。隨著全球量子科技的蓬勃發展,中國在量子領域內亦取得了矚目的科研成就,潘建偉教授領銜的中國科學技術大學團隊在量子通訊技術與量子計算機的研發方面成果斐然。

但是,量子通訊技術之外,市面上湧現出形形色色的“量子保健產品”,如量子內衣、能量吊墜、量子鞋墊,甚至還有量子波動速讀等。生產商大肆宣傳其產品所具備的神奇保健效果,有的甚至宣稱穿戴這些產品可以益壽延年。然而,這些產品多數是借量子之名,行欺詐之實。那麼,量子究竟是何物?這些所謂的量子產品真的值得信賴嗎?

在19世紀的終結之日,科學界翹楚們歡聚一堂,聆聽了開爾文公爵的學術演講。演講中,他表達了物理學界的自豪:經典物理學的大廈已近竣工,只需要稍加修繕即可。這裡所提及的經典物理學,涵蓋了牛頓力學和麥克斯韋電磁學。開爾文堅信,憑藉這兩大支柱,所有物理問題均能迎刃而解。

儘管如此,開爾文依然面露難色,提到了經典物理學上空籠罩的兩朵烏雲。其中一朵涉及以太,另一朵則是黑體輻射。眾多物理學者傾盡心血,試圖揭開這兩大謎團的面紗。愛因斯坦否定了以太的概念,從而邁出了相對論發展的重要一步;而德國科學家在研究黑體輻射的過程中,提出了顛覆性的觀點——量子。

黑體輻射究竟是什麼?黑體即只能吸收和輻射電磁波,無法反射電磁波的物質,例如太陽。黑體輻射出的電磁波波長分佈會隨著溫度的變化而變化。經典物理學推匯出的維恩定律在低頻區與實驗資料存在差異,而瑞利-金斯定律在高頻區亦然,且在頻率趨近無窮大時,能量無限增大,這就是所謂的“紫外災變”。

普朗克在研究黑體輻射時,結合維恩公式與波爾茨曼熵公式,推匯出一個與實驗資料完全吻合的新公式。為了使該公式邏輯自洽,他大膽假設,電磁波的能量並非連續,而是一份一份地發射,每份能量為基本單位能量的倍數,該基本單位能量便是能量量子。

這一假定頗具冒險性,因為它徹底顛覆了經典物理學的理論。普朗克本人對此持懷疑態度,甚至是反感。人們的直觀感受是萬事萬物都是連續的,例如,在兩點之間直線最短。普朗克在提出這一理論後,自己也深感疑惑。

1905年,默默無聞的愛因斯坦發表論文,闡述光電效應,借鑑了普朗克的能量量子理論,提出電磁波由能量量子構成,即光量子(簡稱光子),從而榮獲遲來的諾貝爾獎。

自誕生以來,量子論的物理內涵逐步發展,從最初代表離散的數學思想,與物質核能量的最小單位相結合,到如今成為量子世界中物質客體的總稱,包括光子、電子、原子等微觀粒子,它們共同遵循量子力學的規律。

量子力學作為物理學的重要分支,與經典力學大相徑庭。20世紀的前十到二十年代,以尼爾斯·玻爾為首的哥本哈根學派引領了量子力學的發展,提出了互補性原理和不確定性原理等核心理論。

無需深究這些核心理論的細節,它們揭示了量子世界與眾不同的性質,核心思想包括量子糾纏、量子疊加和量子坍縮。

量子疊加

我們知道,光子擁有偏振量、角動量等特性。量子糾纏意味著,成對的光子中,一個光子的偏振量一旦被確定,另一個光子的偏振量也能立即得知,無論它們相隔多遠。而量子疊加是指在未測量光子偏振量前,我們無法得知其確切狀態。

以兔子為例,現實生活中,兔子的性別是確定的。但在量子世界裡,兔子既可能是公的,也可能是母的,即性別是疊加的,稱為量子疊加態,或量子疊加。

量子糾纏

假設測量一個粒子,其互補態的另一粒子狀態必定立即得知,就像“超距感應”或“隱形傳態”,這便是量子糾纏。仍以兔子為例,若已知量子兔子中的一隻為公的,則另一隻必為母的。

量子坍縮

量子坍縮是指在未測量前,我們無法預知物體的真實狀態,這是一種純粹的隨機性。一旦開始測量,物體便會“塌縮”為一種可能狀態,彷彿它一直處於該狀態。要獲得其他可能狀態,必須複製大量相同的物體,並對它們分別測量,透過統計得出各種可能狀態的機率。

量子通訊技術

量子通訊利用了量子力學這一尖端技術。鑑於量子力學知之甚少,量子通訊自誕生以來飽受非議。實際上,量子通訊並非用量子進行通訊,而是利用量子糾纏特性對電磁波通訊進行加密。

光子既有波動性,又有粒子性。此時,用於加密的光子偏振方向可以表示0和1。量子通訊包括經典通訊通道和量子通道。通訊雙方在通訊時,會傳送一串光子作為密碼,與經典通道共同構成量子通訊。

量子通訊的優勢在於其無法被破解。傳送光子時,量子通訊衛星會立即發現光子被攔截,且無法複製,因為觀測時光子會立即坍縮。

量子計算機

量子計算機同樣基於量子技術,儘管目前尚未成功研發。傳統計算機使用高低電平代表資料,0和1構成計算機語言,一個位元佔據一定記憶體大小。量子計算機則擁有量子位元,具有量子疊加性,每個量子位元同時具備0和1的可能性。

此外,量子位元還具備量子糾纏性。緊密的聯絡使得一個量子位元的變化會立即影響到另一個相關量子位元,無論距離多遠。這意味著,觀測到其中一個狀態,另一個狀態便不言自明。

真正的量子技術應用研究充滿挑戰,幾十年未形成商業化應用。全球科學家正為此不懈努力。而那些宣稱利用量子技術的保健產品,只是利用人們的心理需求,實則透過簡單的科學原理矇蔽了消費者。只要我們擦亮雙眼,利用基礎科學知識,就能輕易識破其中的貓膩。

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