第十三回 | 第二次量子革命

撰文 | 弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）

翻譯 | 胡風?梁丁當

量子力學誕生已近一個世紀，第次它源于維爾納 · 海森 堡（Werner Heisenberg）、量革 埃 爾 溫 · 薛 定 諤（Erwin Schr?dinger）和保羅 · 狄拉克（Paul Dirac）在20世紀20年代的命臨發現。不過，第次這個理論也可能更古老，量革這取決于你如何定義這個領域，命臨因為早在1899年，第次馬科斯·普朗克（Max Planck）就在嘗試解決黑體輻射問題時提出了量子的量革概念。時至今天，命臨量子物理仍然日新月異、第次充滿生機。量革一些通常較為矜持的命臨物理學家都開始提及“第二次量子革命”。這似乎有些夸張，第次但這個成熟的量革領域確實正在煥發第二春。

量子理論揭示，命臨世界要比我們之前認為的更加稠密——不是質量密度更大，而是結構更豐富。以我們如何描述兩個粒子的物理狀態為例，在經典物理中，我們只需描述它們各自的位置即可，而在量子物理學中，我們必須知道更多信息。對于空間中的每一對點，我們都必須給出粒子出現在這兩個點上的幾率。如果粒子數超過兩個，其復雜度將會呈指數增長。

量子力學的先驅們是從非常間接的線索中推斷出量子世界的豐富結構的。他們中幾乎沒有人想到我們可以直接看到量子世界，更別說是操控它。但是在各種新技術的協同作用下，量子世界正前所未有地接近我們。激光讓我們能夠探尋原子的世界，而強磁場使我們可以捕獲單個原子或分子。商業需求推動晶體管日漸縮小，現已接近原子尺寸，同時也刺激了對微型化技術的投資。

除了新的技術，新的思想也在發揮著作用。物理學家學會了利用源于其他學科的概念，例如幾何與拓撲，去理解量子力學所產生的巨大復雜性。他們也開始引入信息理論和網絡理論。最重要的是，他們設計了新的算法，來充分利用更強大的計算機。

然而，這些創新所帶來的最重要的影響可能是在心理層面。物理學家現在已有充分的信心研發量子層級上的工程科技。例如，在世界上最精確的時鐘內，充當“鐘擺”的是被磁阱俘獲的原子，它釋放的脈沖就是計時的基準，科學家利用激光精確捕捉原子脈沖的頻率。這種時鐘的精度現在可達到歷經宇宙壽命那么長時間也僅誤差一秒——而且科學家已有巧妙的方案，可使之更加精確。

最近，我對一種名為氮空位（NV）中心的新技術特別感興趣。為了制備NV中心，你要取一顆微小的鉆石，在其中加入一點氮。擠入到鉆石晶格結構中的氮原子，會在其中形成小分子。一個氮原子會取代一個碳原子，同時擠跑了相鄰位置的另一個碳原子，形成空位。

當你用激光照射NV中心時，它會吸收光子，并發出熒光。其吸收或發射的光，顏色依賴于周圍環境。因此，NV中心有可能成為非常靈敏的探針，用于測量電場、磁場和溫度等物理量，并具有極高的精度和準確的空間定位。不停移動鉆石，你就可以在不同的位置點獲取讀數，甚至也能獲得材料的表面圖像，分辨率可達原子尺度。

除了普通的電場和磁場，真空中無處不在的量子漲落也會影響到NV中心。類似于行星表面覆蓋著的大氣，固體材料表面的量子漲落相當于包裹著它們的真空大氣。正如通過行星的大氣，我們可以了解行星表面發生的事情一樣，通過量子漲落這個真空大氣，我們也能揭示材料的新性質。NV中心能讓我們探測量子大氣，這促使我認真地思考它們。正如新的思想會催生新的工具，新的工具也會激發新的思想。