導(dǎo)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(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，我國發(fā)射世界上第一顆量子科學(xué)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(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(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實的科學(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?。ㄐW(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，你肯定會有所收獲。好，讓我們開始這場量子之旅?？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(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(xué)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(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(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(zhì)子、中子、中微子這些詞本身就對應(yīng)某些粒子，而量子這個詞在不同的語境下對應(yīng)不同的粒子（如果它對應(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(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(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)”。

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

量子力學(xué)的起源是在1900年，德國科學(xué)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(dāng)作離散變化的，才能推出跟實驗一致的公式。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）等人提出了一個又一個新概念，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)）

背景簡介：本文作者為袁嵐峰，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)博士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室副研究員，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會會長。