一百年前，物理學(xué)的世界看起來(lái)井然有序，經(jīng)典理論似乎能夠解釋一切。然而，一個(gè)關(guān)于“高溫鐵塊會(huì)如何發(fā)光”的小問(wèn)題，卻像一顆石子投入平靜的湖面，最終掀起了一場(chǎng)席卷整個(gè)科學(xué)界的巨大變革。這場(chǎng)變革的關(guān)鍵因素，名叫“量子”。

2025年，正是量子力學(xué)誕生一百周年。在這個(gè)特別的時(shí)刻，我們回顧這段不平凡的歷史，會(huì)發(fā)現(xiàn)這遠(yuǎn)不止是一堆復(fù)雜的公式和深?yuàn)W的理論。

本期的封面故事，將帶你回到那個(gè)時(shí)代，去認(rèn)識(shí)一群非凡的科學(xué)家，他們的故事里有天才的奇思妙想、激烈的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論，更有無(wú)畏的探索精神。

·1900年 量子假說(shuō) 

我們會(huì)看到，這場(chǎng)革命的開端，源于普朗克一個(gè)被迫而為之的偉大假設(shè)，他本人卻長(zhǎng)時(shí)間視其為一種數(shù)學(xué)技巧。

·1905年 光量子假說(shuō) 

我們會(huì)看到，愛因斯坦，這位最早洞察到量子重要性的人，后來(lái)卻又為何終其一生都無(wú)法接受他親手開啟的那個(gè)充滿概率和不確定性的新世界，留下了“上帝不擲骰子”的著名感嘆。

·1927年 索爾維會(huì)議

我們還將置身于索爾維會(huì)議的唇槍舌劍之中，見證愛因斯坦與玻爾之間那場(chǎng)關(guān)于實(shí)在本質(zhì)、持續(xù)數(shù)十年的世紀(jì)論戰(zhàn)。

這是一群杰出的物理學(xué)家——其中海森伯、狄拉克等許多人當(dāng)時(shí)才二十幾歲——為人類構(gòu)建起了一座全新的物理學(xué)大廈。

從挑戰(zhàn)常識(shí)的“波粒二象性”，到揭示微觀世界內(nèi)在局限的“不確定性原理”，再到愛因斯坦口中“幽靈般的”量子糾纏，這些曾經(jīng)讓地球上最聰明的頭腦都感到困惑的迷思，如今已悄然走出象牙塔，化為我們手中的智能手機(jī)芯片、醫(yī)院里的磁共振成像，以及正在叩響未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)。

當(dāng)我們談?wù)摿孔恿W(xué)的應(yīng)用，通常會(huì)提及兩次革命性的浪潮。第一次量子技術(shù)革命，利用量子理論被動(dòng)地理解和使用量子現(xiàn)象，帶來(lái)了晶體管、激光、核能、磁共振等劃時(shí)代的技術(shù)，深刻改變了人類社會(huì)。然而，更令人激動(dòng)的是，如今我們正身處第二次量子技術(shù)革命的浪潮之中。

圖：最早的晶體管

薛定諤在1952年寫道：“我們從不，也無(wú)法只用單個(gè)電子、原子或（?。┓肿觼?lái)做實(shí)驗(yàn)。在思想實(shí)驗(yàn)中，如果我們假設(shè)可以做到，這總會(huì)導(dǎo)致與常識(shí)相悖的荒謬推論?！边@表明在當(dāng)時(shí)，直接操控單個(gè)量子粒子仍是天方夜譚。然而，在過(guò)去五十年間，科學(xué)突破如星火燎原——2012年和2022年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，正是授予了在操控單個(gè)量子系統(tǒng)和驗(yàn)證量子糾纏方面做出開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的科學(xué)家。這些進(jìn)展打破了長(zhǎng)期以來(lái)的“思想實(shí)驗(yàn)”局限，使得主動(dòng)操控和利用量子疊加、量子糾纏等“純量子”特性成為可能，開啟了以量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量為核心的第二次量子技術(shù)革命。

在這次前所未有的科技浪潮中，中國(guó)科學(xué)家憑借超前的戰(zhàn)略布局和持續(xù)的研發(fā)投入，已在國(guó)際物理界扮演著重要角色。從實(shí)現(xiàn)星地量子糾纏的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星，到創(chuàng)造光量子計(jì)算優(yōu)越性的“九章”光量子計(jì)算機(jī)，再到用光子制備分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)，這些突出成就彰顯了中國(guó)在量子科技領(lǐng)域的奮進(jìn)，并為推動(dòng)人類科技文明邁向下一個(gè)百年貢獻(xiàn)了關(guān)鍵力量。

圖：九章光量子計(jì)算原型機(jī)照片（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

現(xiàn)在，請(qǐng)讓我們一起，跟隨這些群星般璀璨的名字，不僅為了理解量子力學(xué)是什么，更為了感受那些科學(xué)家們?cè)谔剿魑粗獣r(shí)所經(jīng)歷的興奮、困惑與喜悅。這趟旅程，關(guān)乎科學(xué)，更關(guān)乎人類的智慧、勇氣與光芒。

文章作者

陳明城，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授。通過(guò)使用單光子、單原子和超導(dǎo)量子電路研究量子力學(xué)基礎(chǔ)和量子計(jì)算。曾獲得國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、阿里巴巴達(dá)摩院青橙獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。

陸朝陽(yáng)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)講席教授、世界青年科學(xué)家聯(lián)合會(huì)理事長(zhǎng)。曾獲國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)、科學(xué)探索獎(jiǎng)、《自然》“中國(guó)科學(xué)之星”、歐洲物理學(xué)會(huì)菲涅爾獎(jiǎng)、美國(guó)物理學(xué)會(huì)量子計(jì)算獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。

1925年，一個(gè)建立在與以往完全不同原理上的新物理學(xué)誕生了，這就是“量子力學(xué)”。隨著量子力學(xué)登上歷史的舞臺(tái)，以前的物理學(xué)就成為了“經(jīng)典”。聯(lián)合國(guó)將量子力學(xué)誕生100周年的2025年定為“國(guó)際量子科學(xué)與技術(shù)年”。

量子力學(xué)與相對(duì)論共同構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。歡迎閱讀《科學(xué)世界》2025年第9期，讓我們一起傾聽量子力學(xué)誕生與發(fā)展的百年故事吧。