互动科普

多个原子可以结合成分子，更多的原子集合成金属、绝缘体、半导体等，量子论可以应用到比原子大得多的对象中去。另一方面，量子论也可以研究比原子更加微小的对象。

更微小的对象有原子中心的“原子核”，构成原子核的基本要素“质子”和“中子”，以及很多“基本粒子”，和几个基本粒子组成的“复合粒子”(比如介子等）。现在人们认为所谓基本粒子是无法进一步分割的粒子，也是自然界的最小单位。电子、光子都是基本粒子。

说起基本粒子，令人记忆犹新的大新闻是2012年欧洲核子中心（CERN）疑似发现了能够赋予万物以质量的希格斯粒子。其他的基本粒子还有形成质子和中子的“夸克”等。

从原子核到夸克等基本粒子，它们和电子、光子一样，也都“同时拥有粒子的属性和波的属性”。自然界正是由量子论在支配着。

现在只有“引力”在量子论的适用范围之外

量子论几乎是所有的物理学理论的基础理论，惟一的例外就是“引力（万有引力)”。现代物理学的引力理论是爱因斯坦的“广义相对论”。根据广义相对论，带有质量的物体会使周围的时空（时间和空间）发生弯曲，结果就产生了引力现象。建立在非量子论基础上的物理学一般称为“经典物理学”，这样说广义相对论也包含在其中※1。

现在只有引力是作为“例外处理”，但是物理学家们并不满足于现状，为了构造基于量子化的引力，即使再花费几十年的时间也要努力进行下去。但是，现在这个理论并没有完成。这个尚未完成的理论被称为“量子引力理论”。

量子引力理论有很多候选者，非常有竞争力的一个就是所谓的“超弦理论”(superstring theory)，它认为所有的基本粒子都是“弦”。假如量子引力理论完成，我们期待着将能够有机会去了解“宇宙诞生的瞬间发生了什么”、“黑洞的中心处于什么样的状态”、“回到过去的时间旅行是可行的吗”等“终极之谜”。

基本粒子与“弦”

在原子的中心有带正电荷的原子核（左）。原子核是由数个质子（带正电）与中子（不带电）组成的。不同元素所带的电荷不同。比如说氢有一个质子，氦有两个质子。质子是由两个被称为上夸克（带正电）的基本粒子与一个被称为下夸克（带负电）的基本粒子组成的。中子则由一个上夸克和两个下夸克组成。

在量子引力理论的有力候选者“超弦理论”中，包含夸克在内，所有的基本粒子的都被认为是一根弦。人们认为弦的振动方式是不一样的，所以我们能看到不同的基本粒子。像量子论中那样，引力是由于被称为“引力子”的基本粒子的交换造成的。比如说地球和月球之间相互“抛接”引力子，从而产生引力（右）。在超弦理论中，对应引力子的弦的两端相接，形成像轮胎一样的“闭弦”。

开始期待“量子计算机”的实现

近年来，以“量子计算机”为代表的量子信息科学的发展令人瞩目。

所谓量子计算机，是指应用量子论原理的未来的计算机。虽然现在还处于研究阶段，不过它有可能瞬间计算出传统计算机要花几亿年才能计算出来的结果。不过在量子计算机中就连最小的信息量单位也是“量子的”，这与现在的计算机并不一样。

现在用于计算机的信息量的最小单位是比特，它的数值的每一位都是由“1”或“0”构成的。具体来说就是利用硬盘上的“微小的磁体的指向”来表示“0”或者“1”的。而在量子计算机中，信息量的最小单位是由原子、电子、光子等来担当的。比如说，利用电子有指向的特点，向上的状态为“0”，向下的状态为“1”。

在前面介绍了一个电子可以“分身”，在空间中的各个地方同时存在。不只对于位置能“分身”，对于电子的指向也能够同时“分身”到“向上的状态”和“向下的状态”。比如一个电子可以处在“60%的概率向上，而40%的概率向下”的这样一种中间状态,这被称为“态的叠加原理”。

利用叠加态，量子计算机的最小信息量单位称为“量子比特”。实际的量子计算机的原理虽然复杂，不过简单来说，让很多量子比特分身（就是叠加状态)，就能让很多计算“同时进行”，从而能够飞跃性地提升计算的速度。

得益于1900年普朗克的量子假说，量子论在凝聚态物理和量子化学等领域中得到广泛应用，成为现代技术的支柱。从诞生到现在经过了上百年的时间，现在正向着量子引力理论和量子信息科学的新前沿进发。围绕着量子这一主题，物理学家们还有很多很多知识的探险要完成。

（本文发表于《科学世界》2013年第9期）