图书名称：《Newton科学世界2023.2期（总第374期）》

主管：中国科学院

主办：中国科技出版传媒股份有限公司

出版：《科学世界》杂志社有限责任公司

ISSN 1003-1162

CN 11-2836/N

刊物简介：《Newton科学世界》是由中国科学院主管，中国科技出版传媒股份有限公司主办的致力于科学传播、科学普及的国家级刊物。曾获第三届中国出版政府奖期刊奖，是国家新闻出版署推荐“百强报刊”。特引进日本Newton杂志图文版权。每期精彩特辑，从基础研究直达前沿进展，加之海量精美绘图，引导读者感受科学的无尽魅力。

本期内容简介：本期《Newton科学世界》是关于量子理论从基础到最新应用的特辑。量子理论是描述微观世界的理论，引出了我们在日常生活中无法想象的很多离奇现象，比如"态叠加""隧道效应"等。因为过于不可思议，想必有人会觉得"这个理论和我们平时的生活没有什么关系吧"。但实际上，生活在现代社会的我们，身边到处都有量子理论的功劳。例如，量子理论阐明了对于计算机和智能手机的运行来说不可或缺的半导体的性质。如果没有量子理论，就不会有今天的信息化社会。本特辑从基础到最新应用，对量子理论进行了概括介绍。读了本特辑后，无论是非常了解量子理论的专家还是初学者，都能深切体会到量子理论是多么重要的一个理论。

书评人 赵复垣 天文科学工作者

让人困惑而又前途无量的量子

这一期的《Newton科学世界》主打内容是量子理论-从基础到应用。

量子理论是在1900年前后、德国物理学家普朗克等在处理黑体辐射的“紫外灾难”时创立的，后来又经爱因斯坦、波尔、薛定谔等人发展和丰富起来。

量子理论的核心思想之一是微观粒子的波粒二象性，即粒子同时具有波动性和粒子性。支持波动性的实验是干涉和衍射现象，支持粒子性的实验是光电效应。粒子同时具有这两种性质是一件让人非常困惑的事情，但是实验结果的存在却让人们不得不接受这一种认识。本期中对粒子的波粒二象性给与了很形象化的说明。

量子理论的核心思想还有“测不准原理”，说的是不可能精确地测量一个微观粒子的速度和位置。如果把粒子的速度更精确地测量了，则它的位置就会变得更模糊了，反之亦然。这就如一个简单的乘法算式4×4=16，如果乘积16是固定的，假如把一个乘数变成2，则另一个乘数就要变成8，这很类似于初等数学中的反比关系。

量子理论还有一个叠加态原理，指的是一个微观粒子可以处于多个状态的叠加态，如果一旦对它进行测量，则会“塌缩”一个确定的状态。

还有量子纠缠，说是两个或多个粒子之间可以存在一种特殊的联系，即使它们在空间上相距遥远，它们的状态（例如自旋状态）总是相互关联的。

量子理论的实际应用是太多了，本期中列举了多种量子理论的实际应用。例如在半导体物理，激光物理，太阳核聚变、原子钟、超流超导、量子计算、量子通讯等领域，甚至候鸟在长途飞行中感知地球磁场的方式也会联系到量子效应。

还有一个很重要的方面是关于绿色植物的光合作用，绿色植物的光合作用对太阳光所携带能量的利用率相对很高，是我们人类生存所必须食物的直接或者间接的来源，可以说是至关重要，但至今科学上对光合作用的认识和理解远非全面和彻底。本期中介绍，为了解释光合作用中叶绿素传递能量的机制，有人提出用量子理论的波函数来描述，即叶绿素利用了一种量子波来传递能量。虽然这一解释目前尚未获得更多的证实，但无疑是颇为新颖。

目前各国都在发展量子计算技术。传统计算机用半导体电路中的电压高低来表示二进制的1或者0，而量子计算机中是用量子的不同自旋状态来表示二进制的1或者0，因此其计算速度要远超传统计算机。本期中举例了美国谷歌公司一次量子计算实验来说明量子计算速度之快：量子计算机耗时3分20秒就解决了的一项工作，传统的大型超级计算机竟然需要1万年来完成。

有了更高速的超级量子计算机，就为发展更高级的人工智能（AI）创造了更好的条件。随着时间的推移，人工智能会变得更加无所不能，正在深刻地改变人类的社会和人们的生活。

核聚变本身就与量子理论有关，而受控核聚变是人类获得巨量清洁能源的希望，各国也在努力攻关托卡马克等受控核聚变技术。要在地球环境中模拟出发生核聚变的条件是一项非常艰难复杂的过程。因此有人建议，把量子计算机-人工智能（AI）-受控核聚变三者结合起来，以期早日实现受控核聚变的常态化、商业化运行，在很大程度上解决人类的能源问题。看来，量子理论很可能带来一次新的产业革命。

相信对于广大非专业的读者，读过这一期《Newton科学世界》，会对如此重要的量子理论有一个全新的理解。