量子飛躍百年回望 | 聯合早報

今天，我們身邊的許多科技奇蹟都源於一個世紀前的一場科學革命——量子力學的誕生。

2025年是聯合國“國際量子科學技術年”（International Year of Quantum Science and Technology）。過去百年裏，量子力學不僅深刻改變人類對微觀世界的認知，還為現代科技帶來許多核心突破。從高速芯片到激光技術，再到人工智能，量子科技的影響無處不在。現代半導體技術已經能將晶體管的尺寸縮小至約3納米（相當於原子直徑的30倍）。這些技術成就都得益於百年前量子力學的誕生。

量子力學的誕生與發展

19世紀末，隨着電磁學和元素週期表的建立，科學家逐步強化對原子概念的認識，開始深入探索原子內部結構，試圖解釋元素週期表和原子光譜的規律。

量子理論的開端可以追溯到1900年，普朗克（Max Planck）在研究黑體輻射時提出，能量並非像水流一樣連續，而是以小單位的形式釋放和吸收，他將這些小單位稱為“量子”。幾年後，愛因斯坦通過研究光電效應證明量子的真實存在，進一步鞏固了這一概念。愛因斯坦也因此獲得1921年諾貝爾物理獎。

1925年6月，23歲的德國物理學家海森堡（Werner Heisenberg）因花粉過敏前往赫爾戈蘭島（Helgoland）療養。期間，他首次發現能夠計算原子光譜頻率與強度的量子運算規則。這一突破性成果奠定了量子力學矩陣形式的基礎。他隨後回到哥廷根大學與波恩（Max Born）合作，發表了三篇具有里程碑意義的論文。同年，英國劍橋大學年僅23歲的物理學家狄拉克（Paul Dirac）也獨立推導出類似的理論成果。

1926年，奧地利物理學家薛定諤（Erwin Schrödinger）提出著名的“薛定諤方程”，進一步推動了量子力學的發展。儘管海森堡與薛定諤的方法看似不同，但後來被證明在數學本質上完全等價。正是通過他們的開創性工作，以及狄拉克的理論貢獻，現代量子力學的核心框架得以構建。

由於這些卓越成就，海森堡、狄拉克與薛定諤分別榮獲1932年和1933年的諾貝爾物理學獎。他們的理論至今仍是研究微觀粒子行為和原子世界的基石，為科學探索打開嶄新大門。

愛因斯坦與玻爾交鋒

1927年10月，第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾舉行。這場以“電子與光子”為主題的會議堪稱物理學史上的傳奇盛會。29名參會者中，有17位先後獲得諾貝爾獎，參會者包括居里夫人、愛因斯坦、普朗克、玻爾、海森堡、薛定諤、狄拉克等頂尖科學家。

會議的一個核心焦點是量子理論的基礎問題，特別是玻爾提出的“哥本哈根詮釋”。愛因斯坦與玻爾的經典辯論成為全場焦點。愛因斯坦反對量子力學的隨機性，他堅持“上帝不會擲骰子”，認為自然規律應是確定的；而玻爾則認為，量子力學的核心在於用概率描述微觀世界的不確定性。儘管兩人未能説服對方，但這場思想交鋒極大推動了量子理論的深入發展。

正如海森堡所言：“通過這次會議，我們對量子理論的物理基礎有了更清晰的認識，理論框架也更加完善。”第五屆索爾維會議成為科學史上的一段輝煌篇章，推動了現代物理學的快速發展。

1927年召開的第五屆索爾維會議匯聚17位諾貝爾獎得主。（互聯網）

儘管量子力學在過去一個世紀取得輝煌成就，其核心基礎問題至今仍吸引着物理學界的深度思考。例如，波函數是否具有真實的物理意義、測量問題的本質，以及量子力學與廣義相對論之間的矛盾等。這些未解之謎，或許藴含着引發下一次科學革命的契機。

我國推出量子戰略

從早期的理論探索到現代科技的基石，量子力學催生了半導體、激光和量子計算等領域的突破性成就。1927年的索爾維會議象徵科學精神的巔峯，而2025年，“量子科學技術年”將以傳承與創新為核心，掀開量子科學與技術的新篇章，迎接一個充滿機遇的黃金時代。

新加坡作為亞太地區的科技創新中心，在量子科學與技術領域取得了令人矚目的進展。通過推出“全國量子戰略”（National Quantum Strategy），新加坡整合資源，聚焦量子通信、量子計算和量子傳感等領域，推動相關研究與應用的深度融合。通過與全球頂尖學術機構和企業合作，新加坡正致力於構建未來的量子技術生態系統。