《量子物理学》书评

郭文玉

(长江大学地球科学学院, 武汉 430100)

摘要: 为了向非科研人员详细地解释量子物理学到底是什么, 并且介绍那些正在高速发展的、以光和物质所特有的量子现象为基础的科学技术。迈克尔·G. 雷默从什么是量子物理学、量子物理学的原理、量子物理学的应用以及量子物理学有待解决的问题和争议进行叙述, 帮助读者深入思考和理解量子物理学的世界观———量子世界呈现出概率性, 而这种概率性和我们的直觉思维是有冲突的, 并对量子物理学广泛的应用进行介绍。该著作的特点在于是用浅显易懂的语言, 尽全力让一个没有物理学基础, 但又充满好奇心、具有恒心的读者, 在读书的过程中, 有能力去理解和遵循我们用来解释量子理论正确性的逻辑思维。

关键词: 物理学, 量子物理学, 书评

DOI: 10.48014/ccsr.20240619001

引用格式: 郭文玉. 《量子物理学》书评[J]. 中国物理学评论, 2023, 1(2): 12-16.

文章类型: 书评

收稿日期: 2023-10-19

接收日期: 2023-11-21

出版日期: 2023-12-28

0　引言

量子物理学是现代物理学的一种分支^[1]，打开了人们认识微观物质世界运动规律的大门^[2]，是人们认识微观世界结构和运动规律的科学，它的建立带来了一系列重大的技术应用，使社会生产和生活发生了巨大的变革^[3]。

量子物理学让人们重新审视物质世界最深层次最基本的概念，也就是他们的科学世界观。科学的世界观的改变通常是和技术革命紧密联系在一起，这两者相互扶持，形成一个从发现到创造发明的反馈式循环。在人类探索了量子物理学100多年后的今天，一个新型技术分支正在冉冉升起，它就是量子技术。虽然这个世界观和直觉思维相反，科学家和工程师却可以利用量子技术完成各种新型任务:无法破解的信息加密，超高精度的重力和加速度传感器，能以指数级速度计算并给出问题答案的、比目前任何计算机都要快的量子计算机。基于量子物理基本原理的量子信息技术已成为当前各国研究与发展的重要科学技术领域^[3]。

本文从什么是量子物理学、量子物理学的原理、量子物理学的应用以及量子物理学有待解决的问题和争议出发，为读者理解量子物理学提供科学参考。

1　内容解读

全书共有14个章节，第一章讲述了什么是量子物理学。并对量子物理学的概念、量子物理学对我们日常生活的影响、物理学理论与物理学课题、经典物理学模型与量子物理学模型，光在经典物理学与量子物理学中描述的不同以及光探测的离散型的物理意义等进行了描述。

第二章是量子测量以及测量产生的结果。对经典物理学中的“测量”、光的偏振以及如何确定或者测量光的偏振、光的相干性、如何测量单光子的偏振、能否通过量子测量来确定单光子的偏振态、光的偏振态在经典物理学和量子物理学中的区别是什么、如何预测光偏振态测量中的概率、在量子领域中进行测量是什么意思、互补测量、为什么宏观物体看上去具有确定的性质，但组成它的量子个体却不具备这种确定性、我们所指的物体的“态”是什么、量子态是什么、量子相干性、量子力学的指导性原则、量子力学到底描述了什么进行了叙述。

第三章是应用量子数据加密。探讨了人类能否利用量子物理学来创造出绝对安全的通信网络、加密是如何使信息保密、文本信息在二进制编码中如何显示、文本信息是如何被二进制密钥加密和解密的、光子的偏振态是如何被用来创建安全密钥的、量子密钥分发是基于哪些物理学原理、量子密钥分发的工作原理是什么以及量子密钥分发的研究现状是什么。

第四章是量子行为。讨论了基于量子理论起源的一些基本实验事实和想法。量子物理学介绍了一个从根本上不同的方式，以此来描述自然界里最基本的层面。量子理论的原则性新概念就是量子态。实验结果证明这种量子物理学描述是必需的。经典物理学描述和量子物理学描述最主要的区别在于:在经典物理学描述里，“态”和一系列的测量结果是等同的，因为“态”被默认为指定测量结果具有100%的确定性。相反，在量子物理学描述中，“态”的概念等同于所有可预见的测量结果的概率的集合，而测量结果本身是随机的，或者是概率性的。理解量子表现的要点是利用幺正过程这个概念——这个过程不能被分解成一系列具有可测结果的步骤。也就是说，在这个过程里，量子物体没有留下可追溯的永久性标记或痕迹。在另一方面，如果物体留有永久性痕迹，那么我们就认为一次测量发生了。在这种情况下，经典物理学理论的概率论就可以被使用，同时概率也是相加得来的。我们还发现，在电子干涉实验里，延长电子通过的两条路径之一会影响代表两种结果的可能性箭头之间的干涉。

第五章是应用方面——用量子干涉感应重力。讲述了感应技术以及感应引力强度的用途、怎样利用量子物理学来感应引力，并对中子干涉仪是否是一个有实际意义的引力感应器进行讨论。

第六章是量子概率和波动性。讲述了波这个概念是如何被引入量子理论的、介绍了波和波干涉以及量子概率波、psi-波函数是如何掌控其内部时序的、是什么决定了粒子内部时钟的循环时间或者频率、什么是动量，以及什么可以改变动量、什么是能量、薛定谔方程是怎样描述量子物体在时空中的运动过程的、量子概率波是怎样和概率联系在一起的、能否举一个薛定谔方程在应用中的实例、一个量子粒子是如何穿过0概率区域的、什么是海森堡不确定性原理、电子既是粒子又是波的说法是否正确。

第七章是里程碑和三岔路口。讲述了迄今为止，在量子物理学发展史上达到的里程碑。

第八章是定域实在论的终结和贝尔测试。探究了物理实验是否可以探究“实在论”的本质、相关性是什么、相关性如何被计量、经典相关性和量子相关性的区别是什么、什么是实在论，以及我们如何在实验里测试它、如何为测试实在论做好准备、如果只能进行部分测量，那会怎么样呢、怎样阻止实验双方之间互通信息、什么是定域实在论、什么样的实验可以推翻定域实在论、对于原子中释放的光子对，是不是任何量子态都能产生上述结果、什么样的实验克服了潜在的瑕疵、定域实在论这一观点的崩塌是否意味着我们必须放弃经典直觉和经典物理学以及我们应该放弃定域因果原则或者实在论吗?或者两者都放弃?

第九章是量子纠缠和隐形形态。讲述了什么是量子纠缠、如何表示一个复合体的量子态、如何表示光子对的量子纠缠态、如何制备处于贝尔纠缠态的光子对、贝尔纠缠态是如何违背定域实在论的、什么是利用量子纠缠可以做到，而没有量子纠缠就做不到的、量子纠缠是怎样使量子态的隐形传送变为可能的、量子态的隐形传送是瞬时的吗、人类能否被隐形传送以及量子态的隐形传送有什么用处。

第十章是应用——量子计算。讨论了信息是否是有形的、计算机是什么以及计算机是怎么工作的、单个逻辑门可以有多小、能否创造出使用内在量子表现的计算机、什么是量子比特、哪个物理原理区分了经典计算机和量子计算机、量子计算机会使用哪些逻辑门、如何操作量子计算机、为什么质因数分解很难、量子计算机如何解决质因数问题、量子计算机还能解决计算机科学中的其他难题吗、量子计算机可以解决哪些物理和化学难题、为什么制造量子计算机如此艰难制造量子计算机的前景以及用哪些方法有希望制造出量子计算机。

第十一章是能量量子化和原子。讲述了能量量子化是什么、为什么当一个粒子受到约束时，能量会被量子化、在一个原子中，电子的能量是如何量子化的、为什么电子不会停留在势阱的底部、原子如何吸收光波、一个原子如何辐射出光、经典物理学理论中电子围绕原子核进行轨道运动的说法，在量子物理学理论中变成了什么、环形psi-波函数和量子尺有什么关系、电子的psi-波函数在三维空间是什么样的。

第十二章是应用——利用量子技术感应时间、位移和引力。讲述了什么是基于量子物理学的感应技术、什么是时间的科学定义、什么是时钟、怎样才能制造出完全相同的时钟、为什么基本量子物体可以被制成最完美的时钟、为什么先进的时钟技术非常重要、目前的原子钟有多精确、原子钟的基本工作原理是什么、最先进的原子钟是如何工作的、什么是惯性传感器、什么是加速度计、常规加速度计是怎么工作的、加速度计有什么用途、常规重力仪如何工作以及原子干涉仪是否可以探测到引力波。

第十三章是量子场和它的激发子。讲述了经典物理学中的粒子和场是什么以及统一了粒子和场这两个概念的量子物理学原理是什么、如果测量一个量子场会发生什么、网格的量子理论如何被应用到光波上、什么是量子场、什么是光子、粒子和场是否是同一种事物的不同形态、场和粒子的统一是否适用于电子、为什么我们看不到普通物体的出现和消失、宇宙是由什么组成的、量子真空是什么以及基本粒子是怎样获得质量的。

第十四章是量子物理学领域有待解决的问题和争议。探讨了关于量子物理学，有哪些是我们不知道的、什么样的自然界是量子理论试图告诉我们的、量子理论很明显的一个问题是什么、量子纠缠态是如何更新的、海森堡的观点是否解决了“测量难题”、量子概率是否是主观的、退相干的用处以及本书的意义。

2　研究发现和主要贡献

《量子物理学》一书的研究发现和主要贡献如下。

(1)首先，我们学到了自然界是概率性的，也就是说有些事件在本质上以随机的方式出现。在另一方面，因果关系还是正确的——某个特定的事件不能发生，除非必要的先决事件已经发生，以及必要的先决条件已经达成。对于给定的某些先决事件和条件，可以存在不止一个可能的未来事件。在特殊情况下，这样的量子随机事件可以产生引人注意的影响。这样的影响可以波及未来，从而影响一系列其他事件。

所以，本书的意义用物理的语言来叙述就是，没有预先确定的未来。现在的量子事件是建立在过去的量子事件上的。有可能出现的未来的范围，由过往事件和量子物理学的基本定律所限定。

(2)用量子理论表现物理历史，玻恩定理告诉我们，一个事件的概率是由它的“可能性”的平方给出的。可能性是状态箭头指向事件的某个结果方向上的分量。薛定谔的psi-波函数代表了无限多个这样的可能性。当一个测量结果被记录下时，或者更宽泛地讲，当一个事件以不可逆的方式发生时，状态箭头或者psi-波函数发生了变化。这种变化或者“更新"组成了特定的新条件，它们将决定有可能出现的未来事件的范围。

所以，世界的表现是因果性的，因为不是“任何旧事”都会发生。但它有概率性，因为一个给定的现在可以引出一系列可能的未来。虽然关于如何最好地解释量子理论这一点还有谜团，就像上面讨论的那样，但是使用量子理论的力学原理来计算未来可能性的概率是清晰明了的，同时，它对创造新技术非常有用，这也是本书试图展示的一点。

3　结束语

科学技术的发展不仅仅是科研人员的事情，也与公众密切相关。本书用浅显易懂的语言，从量子物理学的原理出发，描述了量子物理学最重要的思想，探讨经典物理学与量子物理学的区别，量子物理学的应用以及量子技术的发展，尽全力让没有物理学基础，但又充满好奇心、具有恒心的读者，在读书的过程中，有能力去理解和遵循我们用来解释量子理论正确性的逻辑思维。本书最主要的是帮助读者深入思考和理解量子物理学的定位，从而感叹，量子物理学的世界观是多么的反直觉。而科学的世界观的改变通常是和技术革命紧密联系在一起，这两者相互扶持，形成一个从发现到创造发明的反馈式循环，促使量子技术冉冉升起。

利益冲突: 作者声明无利益冲突。

参考文献(References)

[1] 张凌义. 浅析量子物理学发展史[J].科技风,2018(06): 208.
https://doi.org/10.19392/j.cnki.1671-7341.201806188.
[2] 蔡慧敏. 量子物理学基本原理在现代信息技术中的基础地位[J]. 硅谷, 2013, 6(15): 1-2.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7597.2013.15.051
[3] 曾谨言. 量子物理学百年回顾[J].物理,2003(10): 665-672.
https://doi.org/10.3321/j.issn:0379-4148.2003.10.007

The Book Review of Quantum Physics

GUO Wenyu

(School of Geosciences, Yangtze University, Wuhan 430100, China)

Abstract: In order to provide a detailed explanation of what quantum physics is to non-researchers and to introduce the rapidly developing scientific technologies based on quantum phenomena unique to light and matter, Michael G. Reiner has narrated the facts of quantum physics, the principles of quantum physics, the applications of quantum physics, and the problems and controversies that quantum physics needs to solve, helping the readers going deep into and make out the worldview of quantum physics———the probability presented in the quantum world presents, which conflicts with our intuitive thinking. He has also introduced the widespread applications of quantum physics. The characteristic of this work is, in simple and lucid language, to make every effort to enable a reader, who knows nothing about physics but is full of curiosity and perseverance, to have the ability to comprehend and follow the logical thinking we use in explaining the correctness of quantum theory in the precess of reading it.  

Keywords: Physics, Quantum Physics, book review

DOI: 10.48014/ccsr.20240619001

Citation: GUO Wenyu. The book review of Quantum Physics[J]. Chinese Physics Review, 2023, 1(2): 12-16.