黄乐仪老师报道
量子力学（quantum mechanics）是描写物质在微观情况下的一个物理学分支，与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱，量子力学也是许多物理学理论和科学，如原子物理学、电磁学、粒子物理、核物理学、凝聚态物理以及宇宙学的基础内容。量子力学主要用来描述微观下的行为，所描述的粒子现象无法精确地以经典力学诠释。例如：根据哥本哈根诠释，一个粒子在被观测之前，不具有任何物理性质，然而被观测之后，依测量仪器而定，可能观测到其粒子性质，也可能观测到其波动性质，或者观测到一部分粒子性质一部分波动性质，此即波粒二象性。
5月30日（星期一）上午8时至10时正，我校于科技楼陈开蓉讲堂举办科学营第二场大师演讲，讲题为“迎接量子科技的新纪元”，主讲者是来自台湾国立成功大学物理系特聘教授兼理学院量子资讯研究中心主任张为民教授，与大家一同揭开量子物理的神秘面纱，探讨量子科技对未来的影响。张教授说：“你可以想象，在我们的手指头大小的面积上，有几十万个晶体、原件，肉眼所无法看见的微观物理现象，但它确确实实存在！”
他展示一张脸书创办人马克·艾略特·扎克伯格（Mark Elliot Zuckerberg）和其太太与女儿的合照，照片中扎克伯格夫妇手捧一本《Quantum Physics for Baby》，预示量子力学对新世纪的人类影响深远。
他表示：“未来的世纪，是量子世纪，以后要走科学路，不能不懂量子物理！”
人类的4 次工业革命
张教授表示，人类发展至今，已迈入第四次工业革命。Industrie 4.0，这个概念是于2013年4月由德国政府所提出，欧美国家进而纷纷响应；高效率智能制造，就是第四次工业革命的轴心。第一次工业革命，发生在18世纪末期到19世纪中期，人类开创蒸汽机时代，使文明由农业生产走向工业生产。第二次工业革命，发生在19世纪中期到20世纪中期，人类开创电汽时代。第三次工业革命，最早从美国开始，开创今天以指尖联系世界的数位时代。
他说：“没有人可以很清楚地告诉你第四次工业革命，将开创怎么样的时代？但我在十年前所提呈的论文，已经提出量子科技将是21世纪发展的核心。”
张教授续称，当我们学得越多，才发现自己懂得越少，20世纪物理界的天才理查德·费曼（Richard Feyman），在60年代讲过一句名言：“在这个世界上，只有一人真正懂得“相对论”，那就是“相对论”的始作俑者——爱因斯坦。但没有人真正懂量子物理!”
费曼是美国加州理工学院物理学教授，对原子弹的发展贡献卓著。他于1965年荣获诺贝尔物理奖，被认为是爱因斯坦之后最睿智的理论物理学家，也是第一位提出纳米概念的人。他为量子物理建立架构，但他竟然说他不懂量子物理!
在满堂哄笑声中，张教授向大家抛出疑问：“既然大家都不懂的东西，为什么我们要去了解它？”他说，爱因斯坦为了让世人了解“相对论”曾打过一个生动的比喻：
把你的手放在滚热的炉子上一分钟，感觉起来像一小时；
坐在一个漂亮姑娘身边整整一小时，感觉起来像一分钟。
这就是相对论。 ——爱因斯坦
张教授则选择以一张图来让大家了解何谓“量子力学”。图中一位男性身边围绕了一群女性，哪位是她的真命天女？没有人知道，直到他最终选择和其中一位女性结婚的那一刻。这就是量子力学。
“我们可以用薛定谔（Schrodinger）提出的一个思想实验，表述量子叠加态的吊诡，一切都处于不确定性，直到真正落实那一刻。”
400年来的物理学发展
接着，张教授以幽默、风趣的口吻为大家介绍过去400年的物理学发展。他说，从小父母教导我们：走太快很费力；提重物很吃力 ，这就是F=ma，鼎鼎有名的牛顿力学（Newtonian Mechanics）。此外，父母还告诉我们：多吃点才有力气；多吃点会增加能量、热量；少动点省点力气；多运动消耗能量、热量，这就是热力学（thermodynamics）。后来，我们长大了，看见异性会被吸引，同性产生竞争，这就是电磁学（electromagnetism） 同性相斥；异性相吸的原理。量子力学（Quantum Mechanics）更像是人类的社会结构，学习元素周期表让我们知道不同的元素产生不同的原子结构递变规律，量子物理能够解释我们整个自然界的起源。
掌握科学原理，发展自然科学
张教授认为，学习科学掌握与建构理论很重要，中国古代有四大发明：造纸术、印刷术、火药、指南针，但是没产生工业革命，因为古人虽将实物造出来了，却不懂得原理、也没有发展自然科学（Nature Science）。资源要充分了解及利用才能改变社会、富国强民。牛顿力学与热力学产生了1750-1850年第一次工业革命，我们称为大英帝国工业革命（British Industrial revolution）。由此可见，科学的发展，跟一个国家的命运是息息相关的，我们研究物理学不能只是看到物理现象，还必须看到现象背后的原因是什么，才能取得长足的进步。
西方科学了解到电跟磁之间的关系:电转换成力；力转换成电，奠定了1850-1950年第二次工业革命。19世纪，德国科技巨擘西门子股份公司（SIEMENS）积极开发电话、电报，引进大规模的技术革新。力学、热力学进一步发展，引领人类研发机械能。
他强调:“一个国家的实力，与物理学密不可分，我们生活的每一步，就靠我们对物理学了解多少。德国自一战以来保持宏观前瞻的热情积极推动科技发展，如今市面上最好的车子，全是德国生产的，因为他们的科技遥遥领先。”
量子力学开创资讯时代
1950年至今，人类开始探究原子物理学，原子物理学促进了量子力学的建立，开创了近代物理的资讯时代。张教授表示，资讯时代的发展是量子物理造成的。打从1947年第一个电晶体（transistor）产生，电子产业有了突破性的大变革，孕育了今日遍及全球的电子半导体产业，同时也促成电讯计算机、医学、太空探测等领域产生戏剧性的改变。1948年，第一台电脑诞生，随着科技突飞猛进发展，电脑已由当初布满整个房间的庞然大物演变成如今的微型体积，能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据。
从第一次工业革命以来，每过半个世纪，人类就会创造出一种改变人类生活的技术和与之相应的产品，这些技术创新中对世界影响甚巨的就是半导体集成电路（Integrated Circuit，IC）。60年代，现代半导体工业的奠基人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出有名的摩尔定律 (Moore’s law) ，不但预言了半导体工艺的发展、芯片的规模、集成电路的复杂性，还预言了整个半导体工业的规模。
1971年，英特尔开发出了世界上第一个微处理器（CPU），采用的是10微米的工艺，有2千多个晶体管，每秒可执行6万次运算，为电子计算机的发展掀开了崭新的一页。如今，晶片的承载量每两年翻一倍，计算机的硬件功能和内存已经极为强大，就连硬盘都已改用闪存技术，一个国家在自然科学的发展将带动工艺发展，使国家空前强盛。
工业4.0新型智能工业世界
21世纪，人类步入网络时代，科学家不断开发新能源、核磁共振仪（NMR，Nuclear Magnetic Resonance）、镭射激光（LASER）等发明带给人们无限的可能性。迈入工业4.0，人类未来趋向高效率智能制造(Smart manufacturing) 的生活模式，云端科技（Cloud computing）为我们提供足够大的平台，人类利用大数据发展更有效的人工智能，企图建构一个有感知意识的新型智能工业世界。
张教授表示，20世纪末期信息与电子高科技产业带动全球经济活力，各国企业不断地投入大量资金研发最新技术的信息与电子产品，计算机与周边产品几乎以每三个月的更新速度，在每人每2年换一台手机、一台电脑的情况下，资源的浪费非常恐怖，人类的经济成长速度远远超过工业革命以前，能源消耗也远远超过从前；现代科技带来的污染，例如半导体厂为制成电子集成电路而使用大量腐蚀性酸剂造成了下水道的污染，美丽的河川不再。依照目前的消耗速度，工业如何适应智能网络下的未来生活是个值得深思的议题。
此外，电子计算机面临瓶颈，在追求性能的路上，现代半导体芯片的晶体管数目激增，为了减小芯片面积、控制功耗，制造大规模集成电路的工艺越来越精密，英特尔已经将制程推进到了10 纳米左右。继续推进的成本和得到的性能提升实际上已经不成正比，而且在进行某些大规模运算时，即使最强大的超级电子计算机也已经力不从心。
让爱因斯坦抓狂的量子物理
张教授续称:“然而，危机就是转机，电子技术面临的危机正是量子技术兴起的转机。”量子力学的基本问题源自17世纪对光的本质的研究，19世纪初电和磁的本质被揭示后，量子力学形成了一个继牛顿力学、麦克斯韦电动力学和相对论之后更伟大的物理学理论框架。牛顿力学对应宏观低速世界；狭义相对论对应宏观高速世界；量子力学从探索微观低速世界到对应微观高速世界。
自古以来，无数贤人智者日夜苦思的问题“物质是什么？”，在量子力学诞生之后，才算是有了较令人满意的答案。但是量子力学是一个相当吊诡的玩意儿: 一方面它非常成功，可以很精准的预测出实验的结果；另一方面，量子力学所呈现荒诞的世界观强烈地冲击我们从古典物理所认知的概念。
尼尔斯·玻尔（Niels Bohr），伟大的原子结构发明者曾说过：“Everything we call real is made of things that cannot be regarded as real.”原子里电子的分布是概率性的，并没有轨道；每一样东西真正探究下，越发现不是真实的。回到量子力学出现以前，科学家相信，如果我们能够逐一描述构成这个世界的每一个最小、最基本的物质单元，从理论上讲，我们就能完整描述整个物质世界。把物质单元经历的事件加在一起，应该就能描述这个世界里发生的所有一切。
量子力学却违背了这个“信念”。粒子集合实际可以测量的物理性质，会根据具体情况的不同，或超越其中单个粒子物理性质的总和，或违背各粒子物理性质之和，或完全跟后者没有任何关系。量子力学的模糊、不确定性，给了我们无限想象的空间，答案只有在真正实现的那一天才会确定下来。
张教授幽默表示：“量子力学只告诉你各种可能发生的概率或机率，但不会真正告诉你答案。所以，我们做学问也有量子特性:不把话说实，模棱两可，那样永远不会错！物理学原本是让我们越来越了解世界，但是当我们越了解量子物理，我们发现我们对世界的了解越来越不清楚。因此，量子物理学，我们叫它模糊物理学！”
量子物理让许多物理学家觉得很不自在，就连20世纪最伟大的科学家爱因斯坦（Albert Einstein）也拒绝接受量子力学，他对量子理论的不确定性相当恼火，将之比喻为上帝在掷骰子。他曾经在与别人讨论量子力学时，提出了一个看似小学生都知道答案的问题：“Is the moon there when nobody looks？”
是不是只有当你在看它的时候，月亮才在那儿呢?这个奇怪的问题摆在量子力学框架中却一点也不显得突兀。反之，爱因斯坦的疑问恰恰反衬了量子力学的荒谬性与巨大的探究潜能。
薛定谔猫与量子纠缠
张教授进一步介绍学界赫赫有名的“薛定谔猫 (Schrodinger cat)”思想实验，薛定谔(Schrodinger)曾感叹道：“这些可恶的量子跳跃果真成立的话，我真要后悔介入量子理论了。” 他以“猫的生死叠态”为例，试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理，巧妙地把微观物质在人的意识参与观测的情况下是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来，以此求证观测介入时量子的存在形式。随着量子物理学的发展，薛定谔猫理论还延伸出了平行宇宙等物理问题和哲学争议。
张教授也和大家分享曾被爱因斯坦嗤为“远距离闹鬼”（Spooky action in distance）的量子纠缠理论。量子纠缠（Quantum entanglement），打破爱因斯坦广义相对论“一切现象只能在光速可及的近距时空内发生”的理论，幽灵就藏身在微观量子世界里，当两个曾近距缠绕过的粒子，分离后两者之间仍然具有关联性，信息的传递是立即的、并且远远超越光速，即使被分隔在长如宇宙两端的距离上，也能够即时地互相影响。这种隐藏的关联性完全颠覆我们对经典物理世界的认知：心电感应、因果关系与意识现象，这些看来极其诡异玄妙的现象，在量子世界却是客观的存在。
2015年荷兰Delft大学团队率先完成始自七十年代的“贝尔不等式”实验，首次严谨否定近距唯实论（local realism），承认令爱因斯坦毛骨悚然的“超距作用”确实存在。它是目前为止支持量子力学中最基础主张——“存在一个亚原子奇异世界”的最强证据，在这个世界里，物质不被观测就不会成形，时间既能向前也能向后。其实量子纠缠的事件比我们想象中还要多，自然科学家也已证明植物的光合作用具有量子纠缠的现象，以获取最大的太阳能。
张教授认为：“未来，量子物理将彻底改变人类的生活，我们看科幻片，把一只猫，通过网络传送到地球另一角落；把一个人，从地球传送到另一个星球，这些在将来都不是遥远的梦，只待我们努力去实践。”
量子世纪（Era of Quantum）
2012年诺贝尔物理奖颁给了法国的塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）以及美国的大卫·维因兰德（David Wineland），获奖原因是他们发现测量和操控单个量子系统的突破性实验方法，能够在不破坏单个量子粒子的前提下对其进行测量和操控，
如今，座落于加拿大英属哥伦比亚省本那比市的D-Wave系统公司（D-Wave Systems, Inc）已经推出了D-Wave One，号称世界上第一个商用量子计算机，其后更各将一台D-Wave Two分别卖给 Google 和 NASA （美国宇航局）。虽然关于 D-Wave是不是真正的量子计算机学界还在争论不休，有个流传甚广的说法：“造出量子计算机的成功率大概和造出反重力汽车差不多。”但是，塞尔日·阿罗什和大卫·维因兰德的实验不仅仅为奇异的量子理论背书，且推动人类朝着“量子互联网”跨前一步，却是不争的事实。可以预见，未来量子科技计将彻底地改变人类的日常生活与劳动方式，迈向工业4.0的量子新世纪，你准备好了吗？
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