那些你不知道的“量子物理”

“瞬间转移”

量子系統有一个很酷的现象，叫作“量子瞬间转移”（Quantum Teleportation）。利用量子纠缠，这边位置的量子态会消失，而相等的量子态会在另一远程位置出现。这个现象在量子光学的实验中不断地被验证。最近的“栗子”就是在加拿大和上海把一束光的量子态进行瞬间转移，转移的距离分别是6.2公里和14.7公里。这是一个高等的技术，非常吸引眼球。不过可惜，这只是一个微观现象，并且只在光学系统上实现，能否拓展到宏观实物就不得而知了，至少目前还是遥不可及的。

美剧《生活大爆炸》中的“谢耳朵”也提及，即使有一台量子瞬间转移机器，他也不会使用，因为所谓的“瞬间转移”，就是先把现在的他毁灭，然后在另一地方重新构建另一个他，他的思想和灵魂能否转移又是另一个科学难题了。

上图就是《星际迷航》中的“瞬间转移”传送机。

矛盾的结合：波粒二象性

量子力学和量子场论是和广义相对论完全不同的东西。人们通常用“时空扭曲”这个图像去理解引力，而量子理论则完全违反了人类的常识和直觉。

在量子物理中有“波粒二象性”（Wave-particle Duality）的描述方法，一个波（振动）可以看成粒子，反之亦然。最基本的是光，光可以看成是电磁波，也可以看成粒子（称为光子）。世界十大经典物理实验之首的电子双缝干涉实验，就证实了微观粒子，诸如电子和中子，也具有波粒二象性。可能你还要问那这又有什么特别的呢？想象你把石子投在水中，泛起了水波。没错，但量子力学告诉你，这“水波”也是粒子……

双缝干涉实验（Double-slit Experiment）是著名的光学实验，在量子力学里，用来测试量子物体像如光或电子等的波动性质与粒子性质。

“量子未来”，计算加速

量子物理的一大应用就是量子计算机。摩尔定律（Moore’s Law）提到集成电路上的晶体管数目每两年便会翻一倍，因此计算机上的中央处理器也会愈跑愈快。但当晶体管造得越来越少，计算机的增长就会出现停滞。

而量子计算机可以解决这个问题，因为量子计算机的运算方法可以实现一些另类的算法，从算法本质上加快某些计算问题的速度。这同时也促进了作为人工智能的核心资源——计算能力的提升。

量子计算火候已到，微软公司更是做好了技术储备迎接“量子未来”，他们专门组建了量子计算机研究院StationQ，从事量子计算基础研究。

微软与马库斯教授的量子设备研究中心共同组成了StationQ。

“光剑”与非连续特性

量子系统的其中一个特点是系统的能量分布通常不是连续的，能量的转换是颗粒性的。实验证明光的能量是一粒一粒的，而每一光子的能量只跟其颜色有关。

其中一个“栗子”是激光，激光其实是量子物理的一个重要工业实现。激光一般都是单色，如果你要另一颜色的激光，就要费神寻找另外一种物质来提供另一能量区间，再产生光子。白色激光的产生可以说是一个突破，因为白色其实是各色混合，亚利桑拿州立大学和清华大学曾制成一块极薄（60～350纳米）的混合半导体，其中，镉和硒产生红色激光，镉和硫产生绿色激光，锌和硫产生蓝色激光，最终产生白色激光。

另外，荧光是原子吸收了高能的紫外线放出低能光子的结果，这也是很多荧光颜色偏紫或蓝的原因。

《星球大战》中的“光剑”便是荧光。

“时空扭曲”与古典物理学

物理学家一般用爱因斯坦的广义相对论去描述引力，而所谓的“时空扭曲”其实是广义相对论的数学工具的语言——黎曼几何学，属于微分几何学的一支，其实这也是《美丽心灵》的主角约翰·纳什的专长。

有引力就必然有时空扭曲，地球如是，太阳如是，黑洞也是这样，我们看到的弯曲平面图，其实就是这些弯曲时空的折合图。当我们说苹果从树上掉下来，可以说苹果在弯曲空间“滑”下去了，能量的转换由势能变成了动能。虽然广义相对论可以说是牛顿力学和万有引力定律的延伸，但本质上还是古典物理学。

从这里会掉进时空的深渊吗？

作为现代物理的两大支柱，量子物理和相对论的关系可以说是纠缠不清。量子力学和狭义相对论已经结合，并衍生出相对论量子力学和量子场论。可是，量子力学和广义相对论的结合仍是大坑：前者有随机性，后者具有确定性。二者结合有大量针锋相对的理论，所以这条合作之路可以说是道阻且长，不过，只要人类对宇宙的探索永不止步，那么这些问题也终将得到答案。