科学家回信 | 罗会仟：量子物理学彻底改变了人类世界

编者按：日前，“学习强国”学习平台与 联合发起“科学家回信”活动，邀请广大读者向自己心中向往尊敬的科学家、科技工作者提问、留言。活动启动后，“学习强国”“科学网App”收到了读者的踊跃留言。我们精选了读者李观蟹的提问，请中国科学院物理研究所研究员罗会仟发出第三十五期回信。

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读者李观蟹：量子物理学改变了什么？

量子世界和量子物理，看起来距离我们的日常生活十分遥远又晦涩难懂，其实并不然，量子物理学彻底改变了人类世界。

首先，量子物理学改变了我们的“世界观”。在量子物理建立之前，人们已经在思考物质结构的最小单元和能量的运行方式，但整体的观念是认为物质是无限可分的，能量是无限连续的。然而，“量子”的概念彻底打破了这一观念，在微观世界里，无论是物质还是能量，都可以是“一份一份”的不连续单元，而且遵从诸如叠加、隧穿、纠缠等看似“反常识”的规律，通过特定的统计原理才能与宏观世界建立起联系。正是如此，人们才真正意识到，不同空间、时间、能量尺度下的物理现象，都是有特定规律的。

其次，量子物理学改变了我们的生活方式。无论你是否理解量子物理学，它已经悄然出现在你生活中的各个地方。基于量子物理学，科学家们建立了固体导电理论，发现了绝缘体、半导体、导体、超导体的微观机制。如今所有的半导体工业都要归功于量子物理的发展，如电路板、电脑芯片、发光二极管、光伏电池、显示器等。激光来自原子的受激辐射，是典型的量子现象，在生活里已应用广泛。你去医院拍胸片、做CT扫描、核磁共振检查，都是基于量子效应实现的。核电站发电、卫星导航系统、高精度磁扫描、光谱检测技术等，或多或少都依赖于我们对量子世界的认知。未来，量子计算、量子通信、量子加密、量子模拟等将有可能带来新一轮量子革命。

最后，量子物理学改变了我们观察世界的方式。基于量子物理学，科学家已经实现了一系列观测世界的尖端工具。例如，基于量子隧道效应的扫描隧道显微镜可以直接观测电子态密度的分布，“触摸”到原子的存在，甚至感受到分子的轨道和振动模式；基于光电效应的角分辨光电子能谱仪，可以探测材料内部电子的电子能量/动量分布；基于核磁共振技术，可以探测原子周围环境的变化和材料的相互作用；利用x射线、电子、缪子、中子等作为媒介“探针”，可以探测材料内部原子结构和磁性，以及它们的动态行为；基于超导材料的宏观量子效应，可以实现最精密的量子干涉仪、单光子探测器等微弱电磁信号探测设备，给了我们一双可以洞察微观世界和宇宙深处秘密的“超级眼睛”。未来，随着人们对材料中量子效应的不断发掘，越来越多的高精尖探测设备将会出现，造福整个人类社会。