導(dǎo)讀

量子究竟是個(gè)什么？難道是比原子、電子更小的粒子嗎？其實(shí)不是。量子跟原子、電子根本不能比較大小，因?yàn)樗谋疽馐且粋€(gè)數(shù)學(xué)概念，就是“離散變化的最小單元”。離散變化是微觀世界的一個(gè)本質(zhì)特征，準(zhǔn)確描述微觀世界的物理學(xué)理論就是“量子力學(xué)”。

近年來(lái)，你肯定看到了越來(lái)越多與“量子”有關(guān)的科技新聞。2016年8月16日，我國(guó)發(fā)射世界上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，更是全球轟動(dòng)。但你如果想了解量子科學(xué)，在網(wǎng)絡(luò)上看到的又大多是各種玄而又玄、莫名其妙的說(shuō)法，什么“沒(méi)有人懂得量子力學(xué)”啦，“超時(shí)空的瞬間作用”啦，“上帝不擲骰子”啦，越看越糊涂。你不禁會(huì)嘀咕：也許這么高深的東西，本來(lái)就超出了我的理解范圍？

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星發(fā)射

對(duì)此，本文想說(shuō)的是：

不要放棄治療！

好啦，這是開(kāi)個(gè)玩笑。實(shí)際的意思是，量子科學(xué)是完全可以理解的，絕不是什么無(wú)法言傳的東西。只要認(rèn)真閱讀本文，我相信你一定可以對(duì)這門學(xué)科得到相當(dāng)深入的理解。

深入到什么程度呢？至少可以超過(guò)絕大多數(shù)的媒體記者和吃瓜群眾。以后再看到相關(guān)的新聞，你就會(huì)明白說(shuō)的是什么事，背景是什么，具有什么樣的意義了。畢竟，科學(xué)的本質(zhì)是樸實(shí)無(wú)華的，任何道理都可以向人解釋清楚。如果你厭倦了種種故弄玄虛的炒作，真心想學(xué)習(xí)一些“干貨”，那么本文絕對(duì)是你的菜。

當(dāng)然，完全讀懂本文并不是一件像喝“雞湯”那樣容易的事。全文近4萬(wàn)字，你可能需要分幾次才能讀完。而且這篇文章講的是貨真價(jià)實(shí)的科學(xué)原理，真要透徹理解，還是需要具有一定的基礎(chǔ)，并集中注意力去思考的。需要什么樣的基礎(chǔ)呢？也許是高中的水平……如果你真的很用心去讀，說(shuō)不定初中也行?。ㄐW(xué)生：不要歧視我們?。?/p>

咳咳，無(wú)論你的基礎(chǔ)是什么樣的，只要認(rèn)真閱讀和思考本文，你肯定會(huì)有所收獲。好，讓我們開(kāi)始這場(chǎng)量子之旅?？酆冒踩珟?，我們要發(fā)車了！

01

“量子”是什么？

量子科學(xué)之所以顯得神秘，首先這個(gè)名字就是一大原因。

看到“量子”這個(gè)詞，許多人在“不明覺(jué)厲”之余，第一反應(yīng)就是把它理解成某種粒子。但是只要是上過(guò)中學(xué)的人，都知道我們?nèi)粘Ｒ?jiàn)到的物質(zhì)是由原子組成的，原子又是由原子核與電子組成的，原子核是由質(zhì)子和中子組成的。那么量子究竟是個(gè)什么鬼？難道是比原子、電子更小的粒子嗎？

其實(shí)不是。量子跟原子、電子根本不能比較大小，因?yàn)樗谋疽馐且粋€(gè)數(shù)學(xué)概念。正如“5”是一個(gè)數(shù)字，“3個(gè)蘋果”是一個(gè)實(shí)物，你問(wèn)“5”和“3個(gè)蘋果”哪個(gè)大，這讓人怎么回答？正確的回答只能是：它們不是同一范疇的概念，無(wú)法比較。

量子這個(gè)數(shù)學(xué)概念的意思究竟是什么呢？就是“離散變化的最小單元”。

什么叫“離散變化”？我們統(tǒng)計(jì)人數(shù)時(shí)，可以有一個(gè)人、兩個(gè)人，但不可能有半個(gè)人、1/3個(gè)人。我們上臺(tái)階時(shí)，只能上一個(gè)臺(tái)階、兩個(gè)臺(tái)階，而不能上半個(gè)臺(tái)階、1/3 個(gè)臺(tái)階。這些就是“離散變化”。對(duì)于統(tǒng)計(jì)人數(shù)來(lái)說(shuō)，一個(gè)人就是一個(gè)量子。對(duì)于上臺(tái)階來(lái)說(shuō)，一個(gè)臺(tái)階就是一個(gè)量子。如果某個(gè)東西只能離散變化，我們就說(shuō)它是“量子化”的。

上臺(tái)階

跟“離散變化”相對(duì)的叫做“連續(xù)變化”。例如你在一段平路上，你可以走到1米的位置，也可以走到1.1米的位置，也可以走到1.11米的位置，如此等等，中間任何一個(gè)距離都可以走到，這就是“連續(xù)變化”。

顯然，離散變化和連續(xù)變化在日常生活中都大量存在，這兩個(gè)概念本身都很容易理解。那么，為什么“量子”這個(gè)詞會(huì)變得如此重要呢？

因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)，離散變化是微觀世界的一個(gè)本質(zhì)特征。

微觀世界中的離散變化包括兩類，一類是物質(zhì)組成的離散變化，一類是物理量的離散變化。

先來(lái)看第一類，物質(zhì)組成的離散變化。例如光是由一個(gè)個(gè)光子組成的，你不能分出半個(gè)光子、1/3個(gè)光子，所以光子就是光的量子。陰極射線是由一個(gè)個(gè)電子組成的，你不能分出半個(gè)電子、1/3個(gè)電子，所以電子就是陰極射線的量子。

在這種情況下，你似乎可以拿量子去跟原子、電子比較了，但這并沒(méi)有多大意義，因?yàn)樗请S你的問(wèn)題而變的。原子、電子、質(zhì)子、中子、中微子這些詞本身就對(duì)應(yīng)某些粒子，而量子這個(gè)詞在不同的語(yǔ)境下對(duì)應(yīng)不同的粒子（如果它對(duì)應(yīng)粒子的話）。并沒(méi)有某種粒子專門叫做“量子”！

再來(lái)看第二類，物理量的離散變化。例如氫原子中電子的能量只能取-13.6 eV（eV 是“電子伏特”，一種能量單位）或者它的1/4、1/9、1/16 等等，總之就是-13.6 eV除以某個(gè)自然數(shù)的平方（-13.6/n2 eV，n可以取1、2、3、4、5等），而不能取其他值，例如-10 eV、-20 eV。我們不好說(shuō)氫原子中電子能量的量子是什么（因?yàn)椴皇堑乳g距的變化），但會(huì)說(shuō)氫原子中電子的能量是量子化的，位于一個(gè)個(gè)“能級(jí)”上面。每一種原子中電子的能量都是量子化的，這是一種普遍現(xiàn)象。

氫原子能級(jí)

發(fā)現(xiàn)離散變化是微觀世界的一個(gè)本質(zhì)特征后，科學(xué)家創(chuàng)立了一門準(zhǔn)確描述微觀世界的物理學(xué)理論，就是“量子力學(xué)”?，F(xiàn)在你可以明白，這個(gè)名稱是怎么來(lái)的，它其實(shí)是為了強(qiáng)調(diào)離散變化在微觀世界中的普遍性。量子力學(xué)出現(xiàn)后，人們把傳統(tǒng)的牛頓力學(xué)稱為“經(jīng)典力學(xué)”。

對(duì)普通民眾來(lái)說(shuō)，量子力學(xué)聽(tīng)起來(lái)似乎很前沿。但對(duì)相關(guān)專業(yè)（物理、化學(xué)）的研究者來(lái)說(shuō)，量子力學(xué)是個(gè)很古老的理論——已經(jīng)超過(guò)一個(gè)世紀(jì)了！

量子力學(xué)的起源是在1900年，德國(guó)科學(xué)家普朗克（Max Planck）在研究“黑體輻射”問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)必須把輻射攜帶的能量當(dāng)作離散變化的，才能推出跟實(shí)驗(yàn)一致的公式。在此基礎(chǔ)上，愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）、玻爾（Niels H. D. Bohr）、德布羅意（Louis V. de Broglie）、海森堡（Werner K.Heisenberg）、薛定諤（Erwin R. J. A. Schr?dinger）、狄拉克（Paul A. M. Dirac）等人提出了一個(gè)又一個(gè)新概念，一步一步擴(kuò)展了量子力學(xué)的應(yīng)用范圍。到1930年代，量子力學(xué)的理論大廈已經(jīng)基本建立起來(lái)，能夠?qū)ξ⒂^世界的大部分現(xiàn)象做出定量描述了。

（未完待續(xù)）

背景簡(jiǎn)介：本文作者為袁嵐峰，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)博士，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副研究員，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。