量子——科學(xué)界的頂流

近年來(lái)，“量子”（quantum）成了最熱的科技術(shù)語(yǔ)之一。中國(guó)在量子領(lǐng)域取得了很多世界領(lǐng)先的成果，例如2016年，中國(guó)發(fā)射世界第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”；2017年，中國(guó)開(kāi)通世界第一條量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”；2020年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)發(fā)布“九章”光量子計(jì)算機(jī)，后來(lái)又在2021年和2023年升級(jí)為“九章二號(hào)”和“九章三號(hào)”。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)“九章”

然而在量子大熱的同時(shí)，大多數(shù)人對(duì)它的理解是一團(tuán)模糊。許多人聽(tīng)說(shuō)過(guò)“薛定諤的貓”、多世界理論、量子糾纏、愛(ài)因斯坦與玻爾的爭(zhēng)論（“上帝不擲骰子”）等，感覺(jué)玄而又玄，網(wǎng)上甚至出現(xiàn)了俗語(yǔ)：“遇事不決，量子力學(xué)；解釋不通，穿越時(shí)空。”

圖片源自網(wǎng)絡(luò)

更糟糕的是，許多量子“科普”明明是偽科學(xué)，但卻通過(guò)營(yíng)造神秘感抓住了流量密碼。例如經(jīng)常有人說(shuō)，量子力學(xué)讓我們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)崩塌了；甚至還有人說(shuō)，量子力學(xué)說(shuō)明了存在鬼魂。曾經(jīng)有一次，新華社請(qǐng)我給下屬各個(gè)單位的科普負(fù)責(zé)人講如何做科普，講完后有一位聽(tīng)眾提問(wèn)：我們是不是應(yīng)該向網(wǎng)上那些很有神秘主義風(fēng)格的量子“科普”學(xué)習(xí)？我回答他：這些不是我們學(xué)習(xí)的對(duì)象，而是斗爭(zhēng)的對(duì)象！

當(dāng)然，量子是個(gè)不容易科普的領(lǐng)域，因?yàn)樗母拍疃急容^抽象，跟日常生活離得很遠(yuǎn)。看到量子這個(gè)詞，甚至都沒(méi)法猜出這個(gè)領(lǐng)域是干什么的。相比之下，其他許多領(lǐng)域就好理解得多。例如新能源，即使不知道光伏、風(fēng)電等的原理，單從名字就能知道它是新的能源；又如航空航天，完全不需要知道伯努利效應(yīng)、齊奧爾科夫斯基公式，也能明白這個(gè)領(lǐng)域要干的事情。

2016年9月，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)南山觀測(cè)站過(guò)境。本圖為多張照片合成，綠色為衛(wèi)星信標(biāo)光，紅色為地面望遠(yuǎn)鏡與衛(wèi)星之間的通信光。

對(duì)量子的正確理解

對(duì)“量子”最容易產(chǎn)生的想法是：我聽(tīng)說(shuō)過(guò)電子、質(zhì)子等粒子，那么量子也是一種粒子嘍？然后很多人會(huì)問(wèn)：它跟電子、質(zhì)子相比是大是小？每當(dāng)有人問(wèn)我這個(gè)問(wèn)題，我都會(huì)告訴他們，量子并不是一種粒子。

▌對(duì)量子的正確理解可以分為兩層：

1??“量子化”指的是不連續(xù)的變化，即離散變化

2?? 有個(gè)物理學(xué)理論叫作量子力學(xué)，而量子科技則是指以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的科技。

如果某個(gè)東西只能不連續(xù)地變化，也就是說(shuō)離散地、跳躍地、臺(tái)階式地變化，我們就說(shuō)它是量子化的。如果一個(gè)東西是量子化的，我們就把它的最小單元稱為量子。所以對(duì)量子的準(zhǔn)確定義是：離散變化的最小單元。

這樣的例子其實(shí)有很多。上臺(tái)階的時(shí)候，不可能上半個(gè)臺(tái)階，這就是量子化。上臺(tái)階時(shí)，1個(gè)臺(tái)階就是1個(gè)量子。又如統(tǒng)計(jì)人數(shù)，一個(gè)房間里有多少人？不可能出現(xiàn)半個(gè)人。統(tǒng)計(jì)人數(shù)時(shí)1個(gè)人就是1個(gè)量子。又如電影院的座位，你不可能坐在5.5號(hào)座，這時(shí)1個(gè)座位就是1個(gè)量子。有人可能會(huì)問(wèn)，哈利·波特去霍格沃茨魔法學(xué)校為什么走的是“九又四分之三站臺(tái)”？——這正說(shuō)明它是虛構(gòu)作品嘛！

電影中的“九又四分之三站臺(tái)”

以上都是宏觀世界的例子。在微觀世界，量子化更加常見(jiàn)，它也正是微觀世界的一大本質(zhì)。

例如，氫原子中電子的能量是量子化的，只能取某些分立的值，不可能取到這些值的中間數(shù)值，這些分立的能量值叫作能級(jí)。具體而言，氫原子中電子的能級(jí)是-13.6電子伏特除以n的平方，其中n＝1, 2, 3,…，而電子伏特則是一個(gè)能量單位。這些能級(jí)并不是等間距的，但確實(shí)是量子化的。

由此就決定了，氫原子發(fā)出的光的能量只能取某些特定的值，因?yàn)樗厝坏扔?個(gè)相鄰能級(jí)的能量差。這就是原子光譜的來(lái)源，我們就是通過(guò)這個(gè)現(xiàn)象來(lái)分析遙遠(yuǎn)的恒星中存在哪些元素的。

原子光譜（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

又如，光是量子化的。一束光其實(shí)由很多個(gè)光子組成，最少也要有1個(gè)光子，否則就沒(méi)有光了。一個(gè)重要的效應(yīng)叫作光電效應(yīng)，是指1個(gè)光子打在金屬上就可以把金屬中的1個(gè)電子打出去，把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。用手機(jī)拍照時(shí)，它用來(lái)感光的CMOS元件就是基于光電效應(yīng)而設(shè)計(jì)的。

光電效應(yīng)示意圖（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

量子化是微觀世界的本質(zhì)現(xiàn)象，是人類(lèi)歷史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。20世紀(jì)初，馬克斯·普朗克（1858～1947）等科學(xué)家以此為基礎(chǔ)建立了量子力學(xué)。現(xiàn)在，量子力學(xué)與相對(duì)論被稱為物理學(xué)的兩大支柱。

原標(biāo)題：袁嵐峰：量子不是粒子

來(lái)源：科學(xué)世界

編輯：余蔭鎧

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