薛定谔的猫100岁了:它催生了激光、芯片和量子计算机

1935年,奥地利物理学家薛定谔想了个办法,打算证明量子力学是错的。

他设计了一个思想实验:把一只猫关进盒子,里面放一瓶毒药和一个放射性原子。原子衰变了,毒药瓶就碎,猫就死。但在打开盒子之前,按照量子力学的说法,那只猫既是活的,也是死的。

薛定谔觉得这太荒谬了。他提出这个悖论,就是想让大家看看:量子力学推导到极端,会得出多么离谱的结论。

结果100年过去了,这个"离谱的理论"没被推翻,反而成了现代科技的基石。

你手机里的芯片、超市的扫码枪、医院的激光手术刀、银行的加密系统,全都建立在量子力学基础上。那些当年被认为是"哲学怪论"的东西,现在正在支撑整个科技文明。

2025年,《科学》杂志发了篇重磅文章。德州农工大学的马兰·斯卡利教授回顾了量子力学这100年,从它古怪的开端,到今天如何驱动最尖端的技术。

"量子力学一开始只是用来解释微观粒子怎么动,"斯卡利说,"现在它在推动我们父辈连想都不敢想的创新。"

从哲学怪论到日常科技

量子力学诞生在1920年代,那是物理学最混乱也最疯狂的时期。

经典物理解释不了原子的行为,解释不了光到底是什么,解释不了为什么电子不会掉进原子核。一群年轻物理学家憋了个大招,搞出一套全新理论。

这套理论的核心观点听着就离谱:粒子可以同时在多个地方,直到你去看它;你没法同时知道一个粒子的位置和速度;相隔很远的粒子能瞬间互相影响。

爱因斯坦受不了,说量子纠缠是"鬼魅般的超距作用",坚决不信。薛定谔设计了那个猫实验,想用荒谬证明理论荒谬。

但实验一次次证明:量子力学是对的,世界就是这么诡异。

更关键的是,这种"诡异"能被用起来。

激光:从不可能到随处可见

量子力学最牛的概念之一叫"量子相干"。

通俗点说,就是一堆粒子能保持神奇的同步状态,即使隔得很远。这种同步让它们能整齐划一地行动,而不是各干各的。

靠这个原理,1960年代物理学家搞出了激光。

激光刚出来时很多人不信。让所有光子整整齐齐一起发射?开什么玩笑?但量子相干真做到了。

现在激光到处都是。超市扫码、光盘播放、眼科手术、光纤上网、科研设备,哪都离不开激光。一个曾经"不可能"的玩意儿,现在成了生活必需品。

量子相干还搞出了量子纠缠,就是爱因斯坦说的"鬼魅"。两个纠缠粒子,不管隔多远,碰一个另一个立马有反应。

听着像科幻,但这是真的,而且已经在用了。

量子加密靠的就是纠缠,能造出理论上破解不了的密码,保护银行账户、通信隐私、国家机密。引力波探测器LIGO也用量子纠缠提高灵敏度,捕捉到了时空的涟漪。

从"不可能"到"随处可见",还不到100年。

量子热机:打破经典物理的铁律

最震撼的应用可能是量子热机。

经典热力学有个铁律叫卡诺极限,规定了热机的最大效率。这个效率只跟温度差有关,任何经典热机都突破不了。

但量子热机可以。

靠量子相干,研究人员设计出了超越卡诺极限的热机。也就是说,量子原理能改写经典物理的规则。

"这就是个活生生的例子,量子原理怎么重写经典物理的游戏规则,"斯卡利说。

要是量子热机能实用,可能会掀起能源革命。想想看,一个效率超过经典极限的发动机,对交通、发电、工业会有多大冲击?

从病毒到黑洞都有量子的影子

量子力学不只是物理学家的玩意儿,它正往所有领域渗透。

生物学方面,相干拉曼光谱技术能在纳米尺度给病毒画像。这种基于量子原理的成像,精度到了原子级别,帮我们搞清楚病毒怎么运作,怎么设计药物对付它们。

宇宙学方面,量子力学在重塑我们对时空的理解。弦理论和量子引力试图把量子力学和爱因斯坦的相对论统一起来,这可是困扰科学家几十年的终极难题。

甚至流体力学也有量子的事儿。湍流困扰科学家几百年了,从飞机安全到天气预报都受它影响。现在通过研究超流氦这种表现出怪异量子行为的东西,研究人员在找可能改善风暴预测、气候模型,甚至让飞行更安全的办法。

量子力学从解释原子开始,现在帮我们理解从病毒到黑洞的一切。

你生活里的五个量子技术

很多人觉得量子力学高深莫测,跟自己没关系。其实它早就渗进你生活了:

激光超市扫码枪、眼科手术刀,激光到处都是。它靠的就是量子相干,让光子整齐划一发射。

芯片你手机的芯片,电脑的CPU,都是按量子力学设计的。半导体物理完全建在量子理论上。

量子加密保护你银行账户、聊天记录的量子密码,用量子纠缠造出理论上破解不了的密码。

引力波探测LIGO探测器用"压缩光"等量子花招探测时空涟漪,让我们能看到黑洞相撞这种宇宙大事件。

医学成像基于量子原理的成像技术能在原子级别研究病毒和分子,推动新药研发。

这些东西,100年前想都不敢想。

下一个100年会怎样?

量子力学虽然成就巨大,但还有一堆谜团没解开。

引力能不能量子化?也就是说,引力在量子层面跟其他力一样吗?

量子计算机会怎么改变医学和材料科学?现在的量子计算机还在起步阶段,但已经能解决经典计算机算几千年都算不完的问题。

量子技术会揭开宇宙哪些秘密?从暗物质到暗能量,从宇宙起源到黑洞内部,量子力学可能是理解这一切的钥匙。

斯卡利相信答案在于继续探索。

"20世纪初,很多人以为物理学差不多完成了,"他说,"现在到了21世纪,我们知道这场冒险才刚开始。"

那只猫开启的革命

1935年,薛定谔提出那个关于猫的思想实验,想证明量子力学荒谬。

2025年,量子力学100岁了,它不但没被推翻,反而成了现代科技的支柱。

那只"既死又活"的猫催生了激光、芯片、量子计算机、量子加密、引力波探测器。那些被爱因斯坦叫做"鬼魅"的现象,现在在保护你的银行密码,在你手机里跑,在探测宇宙奥秘。

100年前,量子力学是个哲学悖论。100年后,它是改变世界的力量。

斯卡利说得对:这场冒险才刚开始。

量子计算机可能几年内就能解决现在想都不敢想的问题。量子通信可能建起覆盖全球的绝对安全网络。量子传感器可能探测到暗物质粒子。量子引力理论可能最终统一所有物理定律。

从薛定谔的猫到量子计算机,用了100年。下一个100年会发生什么?

没人知道,但肯定会比我们想象的更疯狂,也更精彩。