量子并不总意味着小尺度，量子物理学家用它探索系外行星生命

来源：机器之心

除了量子计算，量子物理学的应用范畴还很广。近日，美国东北大学物理学教授 Gregory Fiete 探讨了量子研究的广泛应用。

量子物理学家研究的世界与普通人每天生活的世界是同一个，唯一的区别是它被科学家「缩放」到了无法理解的大小。即使对于拥有科学素养的常人来说，量子物理学在很大程度上仍然是一门晦涩难懂的学科。

近日，News@Northeastern 与东北大学物理学教授 Gregory Fiete 探讨了量子研究的一些广泛应用，从开发可再生能源和建造更强大的计算机，再到推动人类太阳系以外生命的探索。

News@Northeastern：俯瞰无限小的世界，对于像您这样的量子物理学家所从事的工作，有哪些误解？为什么量子物理很重要？

Fiete：量子和无限小世界，这是大多数人在想到量子力学和早期量子理论基础发展的方式时想到的。量子力学最开始研究的是氢原子及其如何具有离散能级，科学家当时通过实验观察光谱或者光谱如何吸收和发射光来研究能级。

氢原子以特定频率吸收和发射光，我们现在了解这是原子的量子性质所决定的，原子核周围只允许特定的电子轨道。所以，科学家倾向于从氢原子这个非常重要的早期例子来研究量子力学，通常人们倾向于认为量子是很小的。但事实上，这根本不是「小」的问题。

再比如太阳，它是太阳系中最大的天体。由于引力的作用，太阳系中的行星围绕着它在轨道上旋转。太阳通过燃烧氢释放能量和光。但它的引力巨大，以至于能把氢合成氦，然后把氦合成其他元素。太阳将原子聚合在一起，而聚合过程就是一种量子现象，这是地球上正在面临的巨大能源挑战之一，即持续聚变的背后原因。把氢转化成氦，如果能在地球上做到这一点，那么就能拥有清洁的可再生能源。

氢可以被结合在一起变成氦，而且氦没有放射性。因此，我们可以从近乎无限丰富的物质中产生大量能量，而不会产生有放射性的废物。这是物理学家们正在努力实现的梦想。而且宇宙中一些巨大存在背后的物理基础也是量子力学，包括通过霍金辐射（Hawking radiation）量子现象损失能量的超大质量黑洞。

第二点是人们通常认为量子所处的是非常低的温度。再以太阳为例，它非常热，但这也是量子力学。低温不是量子力学的特征。比如恒星和聚变过程的量子性（quantumness）以及与之相关的高温例子，它们拓宽了量子力学概念以及其普遍存在的属性。

News@Northeastern：能否谈一下量子物理学家在其领域之外推动技术进步的一些方式吗？

Fiete：真正让我兴奋的是量子物理学可以用在「法医学」上，或成为「量子法医学」。

因为原子都有与之相关的离散能级，这可以用来识别和研究原子。如果比较氢允许的能级和氦或其他元素允许的能级，会发现它们是不同的。对于任何气体，可以通过观察气体如何吸收和发射光来确定气体中的原子结构。比如要观察一颗恒星和围绕着它旋转的行星组成的天体系统，这个理论就有很大的实用和指导价值。

科学家们使用性能强大的望远镜观察奇妙的系外行星领域，探测行星在恒星和地球之间的运动。现在使用的望远镜中有的是与卫星相连，具有难以置信的频率分辨率和灵敏度，因此可以观察某些行星的大气层，以及恒星发出的光如何穿过大气层。虽然恒星和行星的距离可能有数千光年远，但可以使用光谱学技术，观察来自恒星的光如何被这颗行星的大气层吸收。通过光谱技术，科学家可以了解行星大气层的组成。

这很有趣。现在科学家还可以检测出行星大气层内有什么分子。比如是否有两个氢原子与一个氧原子相连？即大气中有水吗？分子有自己的光谱特征。因此科学家可以检测到这些行星的大气层中是否有水。

当温度变化时，气体的光谱线的频率会变宽，可以观察到吸收和发射的频率范围。变宽的程度指示了分子的温度，也就是行星的大气温度。

科学家能够确定这些行星的大气层由什么组成，从而确定该行星是否是人类不可造访的行星。科学家据此可以探寻生命特征，比如这些行星上是否有与生命有关的分子，至少它是否是类似地球上的生命；这样科学家就可以判断某个人类无法造访的星球上有生命的概率有多大，或去发现其他的生命形式。这是非常鼓舞人心的，它最终还是依赖量子物理和光谱技术。

另一个引起广泛兴趣的例子是量子物理学能产生连太阳能都不能比的能源。当发送一个深空探测器去观察太阳系的外行星，假设要探索冥王星（在技术上不再被视为行星）。如果想观察冥王星，可以发射一个深空探测器，它需要数年才能到达那里。

那么为这个探测器上的计算机提供什么样的电源，以便能回传美丽的行星图片？当然可以再放一块电池，但是到达冥王星需要几年的时间，太空中有很多辐射，电池可能会损坏；当它们脱离大气层身处太空的极度寒冷环境，也可能无法正常工作。通过太阳能电池板无法收集到足以运行计算机系统并回传照片的阳光。

那如何为这些深空探测器上的计算机供电呢？利用辐射和使用放射性材料。放射性是另一个量子过程，重元素衰变为轻元素。当这个过程发生时，会产生辐射。原子核的辐射部分携带的能量就可以被捕捉。

有种叫热电材料的物质，它可以将高温区与低温区连接起来，将这种高低温差转化为电压，然后电压就像电池一样工作。一旦电气系统中有电压，就会产生电流，这时探测器上的计算机和电路就可以正常地工作。

News@Northeastern：量子物理确实是改变能源基础设施的基础性工作。但这是正确的思考方式吗？

Fiete：综合考虑气候变化、可再生能源以及不污染环境的技术是一个很好的观点。

核聚变是一种绿色技术，前提是人类可以正常控制它。如果不能控制核聚变，现在还有其他绿色技术，如风力涡轮机。风力涡轮机与量子物理有什么关系？风力涡轮机的工作方式是，当风力转动螺旋桨时，内部的磁铁附在螺旋桨上，转动磁铁会产生电流。

但问题是应该使用哪种磁铁呢？这需要基础性思考，即全面思考磁性系统，这些系统具有风力涡轮机等应用所需的性能。

这里需要一个非常坚固的磁铁，它需要经受高温，也就是说要比室温高出很多，因为在阳光照射下，磁铁会变得很热。它还必须具有足够坚固的特性，能够承受涡轮系统中扭曲的任何应变和应力。这些就是所谓的硬磁铁。那么如何开发更好的磁铁呢？这就是一个量子问题。

News@Northeastern：最后请谈一下您对自己的研究和这个领域有什么希冀。您希望看到什么？目前有什么进展吗？

Fiete：这是一个业内每个人都在问的难题：真正处于尖端的进步是什么？一个被广泛引用的例子是量子计算。量子计算机并不能解决任何人梦想中的所有计算问题。事实证明，量子计算机特别擅长处理某些类型的问题，它们可以提供所谓的「量子优势」，但其他问题可能会更好地由传统超级计算机解决。

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