日前，2022年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)獲得者即將出爐，得獎(jiǎng)?wù)叻謩e為美國化學(xué)學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain）、美國理論和實(shí)驗(yàn)化學(xué)學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤（JohnF.）和德國化學(xué)學(xué)家安東·塞林格（Anton）.
2022年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)得獎(jiǎng)?wù)?span style="display:none">yly物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
乘著近些年來火熱的量子熱學(xué)狂風(fēng)，去年數(shù)學(xué)學(xué)諾獎(jiǎng)的施行也成了大眾關(guān)注的熱點(diǎn)。不過，量子化學(xué)似乎已經(jīng)應(yīng)用在了人們生活的各個(gè)方面。只是在介紹這種應(yīng)用之前，還需先簡單了解哪些是量子化學(xué)。而要說清楚這一問題，還得從愛因斯坦那句“上帝不會擲色子”說起。
因果論和隨機(jī)性
量子化學(xué)史上的三次論爭
“上帝不會擲色子”來自于愛因斯坦同玻爾的辯論中。當(dāng)時(shí)，以玻爾為首的阿姆斯特丹學(xué)派覺得，在量子熱學(xué)中存在不確定性原理，也即“粒子的位置與動量不可同時(shí)被確定”。（玻爾是1922年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)獲得者，提出了互補(bǔ)原理）
而這點(diǎn)讓愛因斯坦很苦惱，他表示不認(rèn)同玻爾的數(shù)學(xué)哲學(xué)。愛因斯坦覺得，數(shù)學(xué)就是通過找出與因果相關(guān)的變量，來量化自然里的事物，一切未被解釋或定性的，只是沒有確定某個(gè)變量。于是愛因斯坦深信因果論，不承認(rèn)自然界存在隨機(jī)性，更別說不確定性原理。
愛因斯坦與玻爾
相反地，玻爾很堅(jiān)持自己學(xué)派的理論量子物理現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，承認(rèn)這些隨機(jī)性。（阿姆斯特丹學(xué)派包括玻爾、海森堡、泡利和玻恩等化學(xué)學(xué)家）
在波函數(shù)的幾率展現(xiàn)中，阿姆斯特丹學(xué)派覺得，量子熱學(xué)必須舍棄傳統(tǒng)熱學(xué)的因果律和決定論，而把機(jī)率看作本質(zhì)。
在海森堡提出的不確定性原理中，海森堡覺得，在用宏觀儀器觀測微觀粒午時(shí)，觀測這個(gè)動作即對微觀粒子引起了干擾，猶如盲人想曉得雪花的形狀和構(gòu)造那樣。（在量子化學(xué)的檢測中，即降低位置的確定性，便增加了動量的確定性，在時(shí)間和能量上也適用）
在玻爾提出的互補(bǔ)原理中，對不確定性原理進(jìn)行了補(bǔ)充，玻爾表示，微觀粒子具有波粒二象性，即粒子和波兩種圖象不能同時(shí)存在。但為提供完整的描述，又必須將這兩種圖象結(jié)合互補(bǔ)。（波粒二象性，如一條來回奔跑的狗可以被描述跑的路線，也可以被描述在某一位置的靜止?fàn)顟B(tài)，但兩種描述不能同時(shí)存在）
但愛因斯坦覺得，假如承認(rèn)隨機(jī)性、摒棄因果論，假若量子熱學(xué)僅可構(gòu)建在可觀察量的基礎(chǔ)上，那理論便限制了人能觀察到的東西，那數(shù)學(xué)研究的意義何在，所以表明立場——量子熱學(xué)不具有完備性。
以后，也就爆發(fā)了數(shù)學(xué)學(xué)史上最精彩的幾次論爭。雖然愛因斯坦對機(jī)率性和不確定性已經(jīng)不滿。
索爾維大會
第一次論爭
在1927年的第五屆索爾維大會上，愛因斯坦發(fā)起了第一次逼搶——針對位置與動量。他設(shè)計(jì)了雙縫干涉理想實(shí)驗(yàn)，通過控制電子槍使電子挨個(gè)發(fā)射，屏上的顯示即為電子的位置，而關(guān)掉一個(gè)空隙，即可曉得電子從那個(gè)縫下來，因而測出其路徑。因?yàn)楦缮姘咨梢怨浪汶娮硬ǖ牟ㄩL，所以可以算出電子的動量，于是動量和位置同時(shí)可知，不確定性被推翻。
玻爾思索許久指責(zé)道，假如關(guān)掉了其中任何一個(gè)縫，雙縫的干涉現(xiàn)象便不復(fù)存在，實(shí)驗(yàn)又回到了單縫狀態(tài)。更重要的是，電子行為依賴于壁障上是否有多的狹縫，即依賴于我們對實(shí)驗(yàn)的安排。于是，愛因斯坦的理想實(shí)驗(yàn)逼搶失敗，還成了用互補(bǔ)原理證明波粒二象性的事例。
第二次論爭
在1930年的第六屆索爾維大會上，愛因斯坦發(fā)起了第二次逼搶——針對時(shí)間和能量。他設(shè)計(jì)了一個(gè)理想光子箱，上面裝著光和掛鐘，在某一特定時(shí)間讓一粒光子從袋子的小縫飛出，之后稱得袋子的質(zhì)量改變情況（因?yàn)楣庠傩∫簿哂杏行з|(zhì)量）。依據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能多項(xiàng)式，即可測出能量變化，同時(shí)在掛鐘計(jì)時(shí)的情況下，時(shí)間也得到了檢測，不確定性再被推翻。
玻爾聽完此實(shí)驗(yàn)?zāi)樕珣K白，不過在一下午的思索過后，他做出了漂亮的回答。因?yàn)楣庾酉涫怯蓮椈沙訖z測，而當(dāng)光子飛出造成袋子質(zhì)量變化時(shí)，袋子也必定沿重力方向運(yùn)動。此時(shí)雖然質(zhì)量檢測確切，但因?yàn)榇釉谥亓霭l(fā)生了位置變化，箱內(nèi)掛鐘的快慢也將因廣義相對論的紅移效應(yīng)而改變，進(jìn)而促使時(shí)間的檢測形成一個(gè)不確定量，于是時(shí)間的檢測仍不夠確切。
于是，第二次論爭中，愛因斯坦再敗，但他很滿意玻爾的解釋。
第三次論爭
在這以后，愛因斯坦并未舍棄，仍堅(jiān)持覺得量子熱學(xué)不夠完備。于是便在1935年聯(lián)合波多爾斯基、羅森發(fā)布了知名的EPR悖論，此次愛因斯坦引用了量子熱學(xué)的“全同粒子”概念，再度向不確定性原理發(fā)起了逼搶。（全同粒子是指處于一個(gè)原子內(nèi)部的兩個(gè)電子，在脫離原子成為獨(dú)立電子后，能夠具有完全相同的屬性）
愛因斯坦假定，全同粒子A和B沿辯題向飛去，依據(jù)動量守恒，A和B動量必將相反，A飛了多遠(yuǎn)B也一樣。于是此時(shí)檢測A的動量，便可得B的動量，此時(shí)檢測B的位置，也能求出A的位置。這么每位粒子都只測了一次，卻曉得了它們的動量和位置信息，又一次推翻了不確定性原理。
這一次，玻爾回答說，A和B應(yīng)當(dāng)算作一個(gè)量子系統(tǒng)，用同一個(gè)波函數(shù)表示，當(dāng)你檢測A的動量時(shí)，雖然就早已破壞了B的位置信息，反之亦然。這兩個(gè)粒子似乎分開，但處于某種“糾纏狀態(tài)”。
愛因斯坦此次可不買賬，他掏出了相對論來駁斥：這兩個(gè)粒子可以相距幾十光年，那它們都會互相影響嗎？莫非說它們之間存在超光速的超距作用（亦稱為非定域性量子物理現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，即趕超時(shí)空頓時(shí)地作用和傳播）？玻爾直至離世也沒給出直接回答。
量子糾纏
后來，愛因斯坦引入了量子糾纏的概念，也就是說，不確定性原理之所以創(chuàng)立，是由于量子之間存在超光速的糾纏效應(yīng)。而這個(gè)糾纏效應(yīng)用因果論的話來說，就是一個(gè)隱變量，倘若能確切找出并定性該隱變量，能夠確切地同時(shí)測算出位置和動量、時(shí)間和能量，也就不會出現(xiàn)不確定性。
關(guān)于這個(gè)隱變量，玻爾不承認(rèn)它的存在，但是后續(xù)也不再有針尖對麥芒的論爭，你們都在“各說各的”。于是當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)氣氛弄成——要么選擇相信隨機(jī)性，追隨阿姆斯特丹學(xué)派；要么去找出愛因斯坦都找不出的隱變量。為此，量子熱學(xué)的研究停滯不前。
直至貝爾實(shí)驗(yàn)和貝爾不方程的出現(xiàn)，總算在隱變量這朵大烏云下，讓量子熱學(xué)重新見到了曙光。
愛因斯坦頭號迷弟的成就
竟是證明愛因斯坦錯(cuò)了
按照本次諾獎(jiǎng)官方通稿表示，“此獎(jiǎng)為嘉獎(jiǎng)她們在量子信息科學(xué)研究方面做出的貢獻(xiàn)。她們通過光子糾纏實(shí)驗(yàn)，確定貝爾不方程在量子世界中不創(chuàng)立。并開創(chuàng)了量子信息這一學(xué)科。”
不過，貝爾是誰？哪些是貝爾實(shí)驗(yàn)和貝爾不方程？
貝爾與貝爾不方程
約翰·斯圖爾特·貝爾同樣是一名化學(xué)學(xué)家，只不過生得比較晚，在愛因斯坦和玻爾論爭之時(shí)，貝爾才不到十歲。但他后來是愛因斯坦的忠實(shí)跟隨者，為證明EPR佯謬的正確性，他在1964年提出了知名的貝爾不方程，以巧奪天工的邏輯，找出了隱變量存在的證據(jù)。
貝爾不方程涉及到三維空間內(nèi)的粒子載流子運(yùn)動，解釋上去比較麻煩。筆者在網(wǎng)上找到一個(gè)容易理解的類比式版本，可以輕松看懂貝爾實(shí)驗(yàn)的內(nèi)核。
首先，將粒子發(fā)射器稱作房屋，左右兩扇門稱作發(fā)射口，粒子稱作人，粒子的屬性為人的性別。最初，一個(gè)屋子左右兩扇門，隔一定時(shí)間，每一扇門分別走出一男或一女。A記錄左門，B記錄右門，結(jié)果證明一個(gè)規(guī)律，左右門走出男女情況一定相反。
AB記錄房屋里走出的男女示意圖1
然后加入變量，A保持面對左門記錄，B背對右門等人下來以后再記錄。結(jié)果發(fā)覺，她們所記錄的情況出現(xiàn)了1%的偏差。于是規(guī)律改變：當(dāng)A或B背隔壁記錄時(shí)（觀測方式改變時(shí)），左右門走下來的男女情況有1%的機(jī)率相同，這同時(shí)證明每一對走下來的人存在交流（即存在量子糾纏）。
AB記錄房屋里走出的男女示意圖2
然后再加入變量，A、B同時(shí)背隔壁等人下來雜記錄，于是根據(jù)過往規(guī)律，偏差將≤2%。若偏差情況在預(yù)計(jì)中，即證明隱變量存在且可控，愛因斯坦正確。但若果偏差＞2%，即證明玻爾正確，量子熱學(xué)存在不確定性。
AB記錄房屋里走出的男女示意圖3
但實(shí)驗(yàn)并未完成，由于當(dāng)時(shí)配置不夠，貝爾以理論推導(dǎo)入貝爾不方程，認(rèn)定此偏差≤2%，證明愛因斯坦的理論正確。
不過隨著時(shí)代發(fā)展，配置日漸齊全，后人（也即近期奪得諾獎(jiǎng)的兩人）仍在不斷進(jìn)行貝爾的實(shí)驗(yàn)，只是后來的結(jié)果卻與貝爾不方程偏頗。也即是說，前文提及的偏差，在后來克勞澤的實(shí)驗(yàn)中大到令人無法置信，貝爾不方程也被證明在量子世界中不創(chuàng)立。
而由此可推出那場化學(xué)界小型論爭的結(jié)果——愛因斯坦錯(cuò)了，玻爾是對的。
但這不是最終結(jié)論，由于實(shí)驗(yàn)仍在繼續(xù)，化學(xué)學(xué)家們想厘清楚偏差是如何出現(xiàn)的。于是在阿斯頓的實(shí)驗(yàn)里，他設(shè)計(jì)了超長的距離。回到之前的類比，他想曉得——房間走下來的那對人，其性別是取決于AB的觀測方式；還是說人下來時(shí)沒有性別，是雙方聯(lián)系后才決定各自性別的。
也就是想曉得，被發(fā)射粒子的屬性是與生俱來的；還是說粒子下來時(shí)不具備屬性，而是會相互聯(lián)系并判定觀測者的觀測方式，來決定自己呈現(xiàn)哪些樣的屬性。
結(jié)果令人大吃一驚。第一是粒子出現(xiàn)時(shí)不具備屬性，攜帶哪些樣的屬性的確是取決于觀測者的觀測方式；第二是粒子間的確存在相互聯(lián)系，但是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中成對的粒子距離足夠遠(yuǎn)，消息的交互已經(jīng)超過了光速，這點(diǎn)證明了超距作用的存在，也即量子糾纏的確存在。
這是一個(gè)令不少人三觀倒塌的推論。也就是照此邏輯，在量子世界里，各粒子都不自帶屬性，所謂的“客觀存在”也不創(chuàng)立？我們怎么觀測它，它就怎么呈現(xiàn)自己的屬性，那量子世界完全由我們的主觀構(gòu)成嗎？
這點(diǎn)顯然得相當(dāng)專業(yè)的人士能夠解答。不過筆者還曉得一些，關(guān)于量子化學(xué)在現(xiàn)在和未來有哪些用。
量子應(yīng)用多點(diǎn)開花
物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已開始試點(diǎn)
就目前的發(fā)展來看，量子技術(shù)將對物聯(lián)網(wǎng)形成不少積極影響，包括對估算能力、網(wǎng)絡(luò)延后、互操作性、實(shí)時(shí)剖析等功能的優(yōu)化，同時(shí)降低數(shù)據(jù)儲存能力，為云估算提供安全保障。另一方面，在新興的5G聯(lián)通基礎(chǔ)設(shè)施中，量子加密將是提升IoT聯(lián)接量增長的解決方案。
量子物聯(lián)網(wǎng)還可以提高數(shù)據(jù)流的可操作性，將來自不同邊沿的數(shù)據(jù)流（從產(chǎn)品線上的武器到消費(fèi)品中的傳感）結(jié)合至AI中，可以有效改變?nèi)藗児ぷ鳌⑸詈蛫蕵返男问健Ｒ驗(yàn)橥瑐鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)的01編碼不同，量子編碼的三維復(fù)數(shù)方式將徹底改變開發(fā)環(huán)境，但并不影響物聯(lián)網(wǎng)的定義，反倒加速了物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋。
最重要的是，量子估算出現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，即可讓所有電子設(shè)備均能在互聯(lián)網(wǎng)上完成輪詢。
去年年初，量子化學(xué)已應(yīng)用在煤氣表上。獲悉，國外首批“量子安全智能煤氣表”已經(jīng)在南京開始試點(diǎn)，舉辦基于量子安全技術(shù)的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)煤氣表的研制和示范應(yīng)用。目前初定的目標(biāo)是改建換表20萬塊，新增物聯(lián)網(wǎng)表8萬塊。其中通訊技術(shù)借助量子秘鑰加密，可實(shí)現(xiàn)保密安全通訊，保障煤氣用戶的數(shù)據(jù)信息安全。
量子煤氣表
同時(shí)，無錫已開通量子城域網(wǎng)。該項(xiàng)目是目前國外規(guī)模最大、用戶最多、應(yīng)用最全的量子保密通訊城域網(wǎng)；該網(wǎng)路含8個(gè)核心節(jié)點(diǎn)和159個(gè)接入節(jié)點(diǎn)，量子秘鑰分發(fā)網(wǎng)路光纖全長1147公里，可為市、區(qū)兩級黨政機(jī)關(guān)提供量子安全接入服務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸加密服務(wù)，提高電子政務(wù)安全防護(hù)水平。
除了這般，在通訊領(lǐng)域，明年二月中國網(wǎng)通發(fā)布了業(yè)內(nèi)首款基于量子信息技術(shù)的VoLTE加密通話產(chǎn)品――天翼量子高清密話。同時(shí)發(fā)布了業(yè)內(nèi)首款搭載量子安全通話產(chǎn)品的手機(jī)天翼1號2022，該產(chǎn)品采用國產(chǎn)訂制手機(jī)、量子安全SIM卡和國密算法“三重保護(hù)”，為用戶提供“管-端-芯”一體化安全防護(hù)，帶來保密通訊創(chuàng)新應(yīng)用。
除此之外，作為新型安全加密工具，后量子密碼和量子秘鑰已遭到軍事物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)關(guān)注。后量子密碼不能被量子計(jì)算機(jī)攻陷，目前日本已在布局。而量子秘鑰分發(fā)則在歐共體受眾更多，其容許在物理上證明安全性的情況下進(jìn)行安全的加密秘鑰交換。
在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，大部份技術(shù)都最先作用于軍事（例如通訊類的藍(lán)牙和UWB等），于是也能據(jù)此判定未來消費(fèi)端的趨勢。在未來，量子物聯(lián)網(wǎng)也將成為某個(gè)時(shí)代的主曲調(diào)。
結(jié)語
回到文章開頭因果論與隨機(jī)性的問題上，結(jié)合化學(xué)學(xué)家們的爭辯不難發(fā)覺，數(shù)學(xué)問題已經(jīng)弄成了哲學(xué)問題，也因而得不到完美的答案。
但通過推論可以確定，我們已難以再用現(xiàn)實(shí)世界的標(biāo)準(zhǔn)去看待量子世界。愛因斯坦想通過因果關(guān)系理順量子化學(xué)的邏輯，結(jié)果量子并不自帶屬性，難以被定義因果；玻爾想通過承認(rèn)隨機(jī)性來理解量子化學(xué)，結(jié)果量子卻不表現(xiàn)出隨機(jī)，只是隨觀測方式而變化。
隨著本次諾貝爾獎(jiǎng)施行，一方面記錄了化學(xué)學(xué)家們的貢獻(xiàn)，更是為量子世界打開了新的房門，不難得知，之后還將出現(xiàn)更多刷新我們的世界觀的理論出現(xiàn)。
另一方面，隨著量子漸漸被理解和開發(fā)，人們也將更多地接觸并運(yùn)用它，只是在未來，仍有甚多未知和挑戰(zhàn)在等待著我們。