量子跃迁:“无用”研究背后的玄机

张卫平

上海交通大学物理与天文学院致远讲席教授

上海的夏天，潮热伴随着鼓噪的蝉鸣，让人心烦意乱。排山倒海般接踵而来的暑期会议令人沮丧，看不到静心远思而至达的尽头。

心绪不宁之时，却收到《世界科学》杂志社的约稿，希望为其量子专刊写篇卷首语，本能的第一反应就是委婉推辞。

可是，仔细阅读杂志社发来的量子专刊想要推送的文章内容，不由得会心一笑。也许是机缘巧合，看似“不经意”凑在一起的文章，让我突然有了一种义不容辞的写作冲动，迫切地希望与读者分享文章背后的玄机，不为人知的故事，以及由此而触发内心所涌动的感想。

量子力学自诞生以来，其数学形式，包括薛定谔方程本身都是精确可计算，并确定性地给出系统各种可能的本征状态。而历史上引起长期争论的焦点是有关以玻尔、海森堡为代表的哥本哈根学派的量子力学的统计诠释规则。

这一规则认为，量子力学对客观世界的描述只能是统计性的，而不是确定性的，系统的客观状态应该是那些数学上允许的各种可能本征态的统计叠加，并隐含地假定系统在这些态之间的量子跃迁是随机且不连续的。

这种观点遭到了以爱因斯坦、薛定谔为代表的确定论者的强烈反对，引发了量子力学发展史上的哲学大辩论。

辩论的结果却是哥本哈根学派占了上风，其规则逐渐被证明是有效的。这也就导致了后来所谓工具主义者的倡议，搁置争议，接受规则。今天的大多数量子物理学家应该都是工具主义者吧。

尽管如此，长期以来，科学界对哥本哈根学派的质疑从来没有停止过。《世界科学》本期介绍的耶鲁大学小组关于量子跃迁的研究，依然是这个问题某种意义上的延续。

随着中国日新月异的发展，媒体与大众从来就没有像今天这样热情地追逐科学新闻，这对华夏子孙应该是一件值得庆幸的事。

然而，俗话说，外行看热闹，内行看门道。其实对于同行而言，了解科学研究本身隐藏的玄机与背后的故事，才更有思考与启迪性。

就耶鲁大学的研究，我更想借此机会，谈谈其中的一位作者卡迈科（Howard Carmichael）的故事。

20世纪80年代末，我有幸成为量子光学奥克兰学派创始人沃尔斯（Daniel F. Walls）教授的博士后，从而结识了卡迈科。

用中国现在流行的称谓，他是沃尔斯教授的大弟子，为人低调，不善言谈，总是关注思考一些看似“无用”却又深奥的难题。

我认识他时，他就已经因揭示原子共振荧光的量子特性而声名鹊起。自此之后，一直默默无闻。后偶尔听过他一些学术报告，知道他在鼓捣一种称为“量子轨迹”的方法，并一弄就是十几年，还由Springer出版社出版了一部相关的研究专著。

我再次见到卡迈科，是回国多年后的事。与国家自然科学基金委学术代表团访问新西兰，他是奥克兰大学负责接待的人。没想到的是，这位仁兄见到我们时，只是兴奋地在黑板前手舞足蹈地介绍他的“量子轨迹”的研究，似乎站在他面前的，不是远道而来的访客，而是听他讲解的学生，甚至有关访问行程的安排都被丢在了九霄云外，让我们随行的领导尴尬不已。

此次访问一别，也就再没有卡迈科的消息。直到不久前，看到耶鲁大学“量子跃迁”的研究文章，发现他的名字赫然在列，内心不禁有点莫名的感慨。

表面上看，他并不是中国学术界大为推崇的文章第一作者或通讯作者，但跨过时间流逝的长河，作为了解他的学术同门，浮现在我眼前的是一个纯粹学者几十年执着探索与追求真理的身影。尽管“量子轨迹”理论本身仍然是玄妙的，但卡迈科在这项研究中的理论指导性贡献是毋庸置疑的。

在泛量子浪潮的当下，这项研究背后的玄机与故事，有着意味深长的警示。

人类对量子本质的认识，仍然还在朦胧之中。

自媒体上成天吆喝的“量子技术”，不过是夏日清晨天边的一抹彩霞，美丽却依然遥远。

在弘扬文化自信的今天，我们更要冷静地推动文化理性，让理性的光辉照亮中华大地，让一批智者能安静地思考，创慧性地沉淀。

不只是狂热地一味追逐所谓的“有用”，而是要在科学与理性地探索“无用”的研究中，揭示真理的灵性，积聚创造的力量，开拓“无用”之大用的中华科学创新之路。

最后，借用屈原的诗句作为结束：路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。

想了解更多细节？请参见《世界科学》杂志2019年第8期。[订阅链接：世界科学（1年共12期）]

卷首语 PREFACE

量子跃迁 :“无用”研究背后的玄机

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