第28章
史上最伟大的科学：不平凡量子

2019年10月，Nature杂志150周年版封面，公布谷歌达到一个惊人的里程碑：“量子霸权”，制造出第一台性能超越当今最强大超级计算机能力的量子计算机，能够在3分20秒内执行一个计算，而当今最强大的超级计算机Summit，计算用时需约10000年。

为解释黑体热辐射光谱，1900年10月，德国物理学家普朗克为此发明提出了前所未有的假设—“量子”：即黑体辐射的能量不是连续值，必须一份一份，每份都是某个基本能量的整数倍，这个基本能量单元叫能量量子，等于频率乘以普朗克常数。就像世界上没有半个乒乓球，只有一个又一个的乒乓球，或者几个、百个、千万亿个乒乓球。普朗克说“量子化只不过是一个走投无路的做法”，“量子”概念奇异而有趣，荒唐得令普朗克和他人难以接受。

随后出现了量子理论的“大爆炸”。爱因斯坦以光量子、光电效应的学说，获得诺贝尔奖。丹麦玻尔、德国海森堡、英国狄拉克、奥地利薛定谔、法国德布罗意等，通过“波粒二象性”“测不准原理”“几率波”“电子自旋”“非定域作用”“能量场”“全息场”等方面的研究，获得诺贝尔奖，丰富和发展了量子理论。随后量子论进一步发展，影响了整个科学领域，最后扩展到科学以外的领域，引发了认知领域的“宇宙大爆炸”。

1905年，爱因斯坦提出，电磁波本身就是由能量量子组成，如光量子（后简称为光子）。1913年，玻尔提出，电子的能量只能呈现特定分立的数值，叫作能量量子化。与光子类似，每种基本粒子都是一个量子场的振动激发，也叫量子。

现代量子论指系统的量子力学理论，其体系化地取代了早期量子论，发生在1925至1927年，主要创立人是海森堡、玻恩、乔丹、薛定谔、狄拉克等。量子的特征已经不能简单归结于早期所强调的分立和非连续，而更多地指测不准、叠加、纠缠、跳跃，并概念辐射到其他各领域。

尽管量子理论取得了显著进步，但人们对量子论及其非确定性、非决定论的描述和预测，仍然将信将疑。爱因斯坦尽管为量子的发现作出了重要贡献，并获得了诺贝尔奖，并且将牛顿的低速的经典理论外推到高速阶段，即相对论，可爱因斯坦坚持牛顿式的思维，坚持决定论，爱因斯坦是身体已进入量子时代、而大脑仍然处于经典时代的人。有关决定论和非决定论，玻尔和爱因斯坦进行了长达二十年的大论战。

1964年贝尔提出不等式，使之成为实验判决定域隐变量理论是否存在的依据，从而结束了原来只能停留在哲学层面的争论。贝尔不等式结合实验结果后，形成了贝尔定理，其结论是令人震惊的。它以极其简洁的逻辑明确，这个世界要么不是“实在”（真实）的，要么，它不是定域（确定）的。其对人类的世界观产生了颠覆性的冲击。由此，人们对贝尔不等式发出了由衷的感叹：“整个科学史上，贝尔定理都是最重要的成果”；“贝尔定理是最具深远意义的科学发现”；“谁要是不为贝尔定理感到困扰，他脑子里一定是进水了”。贝尔的结论是：决定论不可信，尽管当时绝大多数物理学家都赞成决定论观点。

一百多年来，量子力学取得了无数革命性的成功，从半导体到激光，从原子能到信息技术，从天体物理到宇宙早期演化，从基本粒子到物质结构等等，导致了人类社会结构和生产生活方式的深刻变革。早在1990年代，诺贝尔奖得主莱德曼就说，量子力学贡献了当时美国GDP的三分之一。目前，量子力学还在进一步以更大的步伐发展中。

在人类当代文明发展的前沿，量子力学贡献了几近百分之九十五，我们几乎生活在量子时代。最为典型的如网络设备、计算机、智能手机、数码相机等等，除了设备机壳和标签以外，一切的一切，从超导、激光、光纤、芯片、触摸屏、定位接受器等等，每一项功能的研发都依赖于人们对量子的深刻理解。量子技术已无处不在，量子几乎正创造着现实和未来中的一切—从药物设计、清洁能源、电池技术、隐形斗篷到《星际迷航》中的生物医学传感器。