導讀

量子究竟是個什么,？難道是比原子,、電子更小的粒子嗎？其實不是,。量子跟原子,、電子根本不能比較大小,，因為它的本意是一個數(shù)學概念，就是“離散變化的最小單元”,。離散變化是微觀世界的一個本質特征,，準確描述微觀世界的物理學理論就是“量子力學”。

近年來,，你肯定看到了越來越多與“量子”有關的科技新聞,。2016年8月16日，我國發(fā)射世界上第一顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”,，更是全球轟動,。但你如果想了解量子科學，在網(wǎng)絡上看到的又大多是各種玄而又玄,、莫名其妙的說法,，什么“沒有人懂得量子力學”啦，“超時空的瞬間作用”啦,，“上帝不擲骰子”啦，越看越糊涂,。你不禁會嘀咕：也許這么高深的東西,，本來就超出了我的理解范圍？

“墨子號”量子衛(wèi)星發(fā)射

對此,，本文想說的是：

不要放棄治療,！

好啦，這是開個玩笑,。實際的意思是,，量子科學是完全可以理解的，絕不是什么無法言傳的東西,。只要認真閱讀本文,，我相信你一定可以對這門學科得到相當深入的理解。

深入到什么程度呢,？至少可以超過絕大多數(shù)的媒體記者和吃瓜群眾,。以后再看到相關的新聞，你就會明白說的是什么事，背景是什么,，具有什么樣的意義了,。畢竟，科學的本質是樸實無華的,，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，真心想學習一些“干貨”,，那么本文絕對是你的菜,。

當然，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實的科學原理,，真要透徹理解,，還是需要具有一定的基礎，并集中注意力去思考的,。需要什么樣的基礎呢,？也許是高中的水平……如果你真的很用心去讀，說不定初中也行?。ㄐW生：不要歧視我們?。?/p>

咳咳，無論你的基礎是什么樣的,，只要認真閱讀和思考本文,，你肯定會有所收獲。好,，讓我們開始這場量子之旅,。扣好安全帶,，我們要發(fā)車了,！

01

“量子”是什么？

量子科學之所以顯得神秘,，首先這個名字就是一大原因,。

看到“量子”這個詞，許多人在“不明覺厲”之余,，第一反應就是把它理解成某種粒子,。但是只要是上過中學的人，都知道我們?nèi)粘Ｒ姷降奈镔|是由原子組成的,，原子又是由原子核與電子組成的,，原子核是由質子和中子組成的,。那么量子究竟是個什么鬼？難道是比原子,、電子更小的粒子嗎,？

其實不是。量子跟原子,、電子根本不能比較大小,，因為它的本意是一個數(shù)學概念。正如“5”是一個數(shù)字,，“3個蘋果”是一個實物,，你問“5”和“3個蘋果”哪個大，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,，無法比較。

量子這個數(shù)學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)計人數(shù)時,，可以有一個人,、兩個人，但不可能有半個人,、1/3個人,。我們上臺階時，只能上一個臺階,、兩個臺階,，而不能上半個臺階、1/3 個臺階,。這些就是“離散變化”,。對于統(tǒng)計人數(shù)來說，一個人就是一個量子,。對于上臺階來說，一個臺階就是一個量子,。如果某個東西只能離散變化,，我們就說它是“量子化”的。

上臺階

跟“離散變化”相對的叫做“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，這兩個概念本身都很容易理解,。那么,，為什么“量子”這個詞會變得如此重要呢？

因為人們發(fā)現(xiàn),，離散變化是微觀世界的一個本質特征,。

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

先來看第一類，物質組成的離散變化,。例如光是由一個個光子組成的,，你不能分出半個光子、1/3個光子,，所以光子就是光的量子,。陰極射線是由一個個電子組成的，你不能分出半個電子,、1/3個電子,，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，但這并沒有多大意義,，因為它是隨你的問題而變的,。原子、電子,、質子,、中子、中微子這些詞本身就對應某些粒子,，而量子這個詞在不同的語境下對應不同的粒子（如果它對應粒子的話）,。并沒有某種粒子專門叫做“量子”！

再來看第二類,，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,。我們不好說氫原子中電子能量的量子是什么（因為不是等間距的變化），但會說氫原子中電子的能量是量子化的,，位于一個個“能級”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

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

對普通民眾來說,，量子力學聽起來似乎很前沿,。但對相關專業(yè)（物理、化學）的研究者來說,，量子力學是個很古老的理論——已經(jīng)超過一個世紀了,！

量子力學的起源是在1900年，德國科學家普朗克（Max Planck）在研究“黑體輻射”問題時,，發(fā)現(xiàn)必須把輻射攜帶的能量當作離散變化的,，才能推出跟實驗一致的公式。在此基礎上,，愛因斯坦（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）等人提出了一個又一個新概念,，一步一步擴展了量子力學的應用范圍,。到1930年代，量子力學的理論大廈已經(jīng)基本建立起來,，能夠對微觀世界的大部分現(xiàn)象做出定量描述了,。

（未完待續(xù)）

背景簡介：本文作者為袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士,，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員,，科技與戰(zhàn)略風云學會會長。