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，你肯定看到了越來越多與“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,、莫名其妙的說法,，什么“沒有人懂得量子力學(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，本文想說的是：

不要放棄治療,！

好啦,，這是開個(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,，說不定初中也行！（小學(xué)生：不要歧視我們?。?/p>

咳咳,，無論你的基礎(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，讓我們開始這場(chǎng)量子之旅,?？酆冒踩珟В覀円l(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,。但是只要是上過中學(xué)的人,，都知道我們?nèi)粘Ｒ姷降奈镔|(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“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)來說，一個(gè)人就是一個(gè)量子,。對(duì)于上臺(tái)階來說,，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,，但這并沒有多大意義，因?yàn)樗请S你的問題而變的,。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)詞在不同的語境下對(duì)應(yīng)不同的粒子（如果它對(duì)應(yīng)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(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)”。現(xiàn)在你可以明白,，這個(gè)名稱是怎么來的,，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)普通民眾來說，量子力學(xué)聽起來似乎很前沿,。但對(duì)相關(guān)專業(yè)（物理,、化學(xué)）的研究者來說，量子力學(xué)是個(gè)很古老的理論——已經(jīng)超過一個(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，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),。