海森堡的量子革命：物理学大变局
海森堡的量子革命：物理学大变局
100年前，德国物理学家海森堡发表了一篇名为《运动学和力学关系的量子力学重新诠释》的论文，这篇论文不仅标志着量子力学的诞生，更开启了人类认识物质世界的新纪元。在论文中，海森堡提出了一种全新的理论框架，摒弃了传统的轨道概念，转而使用可观测量之间的关系来描述电子的行为。这一重大转变彻底颠覆了经典物理学的基本理解，特别是在亚原子现象的研究上。
海森堡的量子力学理论中最引人注目的是不确定性原理。这一原理表明，对于一对共享相空间的物理量，例如位置和动量，无法同时精确测量它们的值。用数学语言表述就是：
设函数ψ是S(ℝ)的速降函数，并且满足归一化条件∫{-∞}^{∞}|ψ(x)|²dx=1，则满足以下不等式
（∫{-∞}^{∞}x²|ψ(x)|²）（∫{-∞}^{∞}ξ²|ψ^(ξ)|²dξ）≥1/(16π²)
且等式成立当且仅当ψ(x)=Ae^{-Bx²},B>0,且|A|²=√(2B/π)
且我们可以得到
（∫{-∞}^{∞}(x-x₀)²|ψ(x)|²）（∫_{-∞}^{∞}(ξ-ξ₀)²|ψ^(ξ)|²dξ）≥1/(16π²)
对于任意x₀,ξ₀∈ℝ
这一原理揭示了微观世界的基本属性：在量子尺度上，粒子的位置和动量不能同时被精确测量。这种不确定性不是由于测量技术的限制，而是自然界本身固有的属性。这一发现彻底颠覆了经典物理学中决定论的观点，即自然界的一切现象都可以通过精确的数学公式来预测。
量子力学与经典物理学之间存在着本质的区别。在经典物理学中，物体的状态可以用确定的位置和速度来描述，而量子力学则用波函数来描述粒子的状态，波函数给出了粒子在不同位置出现的概率。这种概率性的描述方式与经典物理学的决定论形成了鲜明对比。
此外，量子力学中的另一个重要概念是量子纠缠。当两个粒子发生纠缠时，它们的状态将紧密相连，无论它们相距多远。这种现象在经典物理学中是不存在的，它揭示了量子世界中非局域性的特点，即粒子之间的相互作用可以超越空间的限制。
为了纪念量子力学诞生100周年，联合国宣布2025年为“量子科学与技术之年”。这一全球性倡议旨在庆祝量子科学在过去一个世纪对技术进步的贡献，提高全球对其对21世纪可持续发展重要性的认识，并确保所有国家都能获得量子教育和机会。
量子力学的发展已经深刻改变了现代科技的面貌。晶体管、激光器、稀⼟磁体和LED等发明——使互联网、计算机、太阳能电池、核磁共振成像和全球导航得以实现的技术——都是因为量子力学而存在的。展望未来，量子应用的进步可能会使新的计算和通信模型成为可能，有可能加速材料科学、医学和网络安全等领域的创新。通过这种⽅式，量子科学和技术将有助于应对世界上最紧迫的挑战，包括快速开发可再生能源、改善人类健康以及创建支持联合国可持续发展目标的全球解决方案的必要性。
整个2025年，中国光学学会和国际量子科学与技术年联盟将组织区域、国家和国际外展活动和计划，以庆祝国际量子科学与技术年，开发量子科学的学习资源，建⽴科学伙伴关系，扩⼤发展中国家的教育和研究机会，促进下⼀代量子科技的多样化发展。
