量子力学将迎“二次革命”

■本报记者 赵广立

“自量子力学诞生以来，人们主要在做一件事：求解薛定谔方程。这促使了激光、晶体管、核能等的产生。”中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿这样评价量子力学的第一个100年：“人们只关注能‘做什么’，不去问‘为什么’。”

然而，量子信息的发展打破了僵局。量子纠缠、非局域性等新概念，促使科学家开始重新审视量子世界的本质。

“新实验方法和手段的出现，提供了更多研究量子世界奥秘的有效工具，对量子力学的基础问题进行实验研究成为可能。”郭光灿说。

于是，在量子力学将进入新阶段的大背景下，国内首届“量子力学二次革命”论坛日前在合肥召开。

别问“为什么”

美国著名物理学家理查德·费曼会在第一堂课时告诫学生，不要问量子力学“为什么”，因为没人知道。

“量子力学仍有很多基础问题亟待解决。”中国科学技术大学教授韩永建引用了量子力学创始人之一尼尔斯·玻尔的话：谁不对量子物理感到困惑，他肯定不懂它。

“微观理论和经典世界的矛盾导致了爱因斯坦与玻尔之争。”郭光灿说，爱因斯坦认为，量子力学理论的不完备导致了量子世界的概率性、非局域性；而坚持“眼见为实”的玻尔认为，量子世界是虚幻的，只有对量子世界进行测量后的结果才是真实的。

虚拟的微观世界如何筑成真实的宏观世界？玻尔并未给出令人信服的解释，爱因斯坦也没找到能被实验证实的更完备理论。

100年来，以玻尔为首的“哥本哈根学派”被认为是量子力学的正统诠释。该诠释虽不令人满意，但其后一些企图替代它的理论，漏洞并不比玻尔理论少。“哥本哈根学派是量子世界的‘执政党’，现在要看哪个‘在野党’有可能‘革命’。”韩永建比喻说。

事实上，哥本哈根学派的“执政地位”已受到挑战。先后有“量子惠勒延迟选择——光的波粒叠加实验”和“弱测量直接观测波函数”挑战了玻尔的互补原理和“波函数非物理实在”的观念。

少数派的“二次革命”

玻尔曾将经典世界比作“一个四壁布满探测器的房间”，这些探测器可解释房间里发生的所有事情——无论是氢原子光谱，还是多体系统的性质，都没跳出这个房间。

“量子力学的二次革命，就是要打开房间里的窗户，看看外面到底是什么。”韩永建说，量子信息发展的新技术、新概念，有可能对房间外面的信息进行实验检验。

郭光灿表示，量子力学“二次革命”的号角吹响于2014年。为纪念贝尔不等式50周年，《自然—物理》杂志发表量子力学专刊，提出“二次革命”的口号。随后，《自然》杂志刊登题为《“量子战鼓”已经敲响》的周评。不过，“客观地说，‘二次革命’这个命题还不是主流，只有少数科学家关注。”郭光灿认为，在目前乃至相当一段时间里，该领域将是学术界的“冷门”和“少数派”。

从事物理学哲学、物理学史研究的中科院自然科学史所副研究员高山对此颇为认同：“人们至今对量子理论的诠释很多还停留在哲学层次。我相信有了（特别是实验）物理学家的重视，这个领域在5～10年内会有重要进展。”

“反哺”基础命题

郭光灿表示，当新的实验事实积累到某种程度时，人类中的“爱因斯坦二世”就会诞生，新理论将应运而生。“这是我对量子力学第二次革命的期待。而当务之急是运用已发展的量子技术进一步研究量子世界，发现更丰富的实验事实，为探索新理论打下扎实基础。”

在北京大学物理学院现代光学研究所研究员何琼毅看来，随着量子技术的提高，是时候“反哺”一些量子力学的基础命题了。

“在量子力学第一次革命中，中国人来不及，而现在我们处于国际同一水平，是作贡献的时候了。”郭光灿说，100多年都没人能回答清楚“为什么”作量子力学研究，所以不能迷信权威。

“对量子力学‘为什么’的探索将是个艰苦的过程，研究者要勇于开拓。”郭光灿说：“我们目前处在学术研究空前自由活跃的时期，年轻人要有志气抓住机遇去迎接这个历史性挑战。”