微涼了半夏3696

量子是20世紀物理學家在試圖解釋一些物理現象時提出的，從字面意思理解，量子代表的就是

相關歷史

量子概念的提出是對經典力學的挑戰，具有很重要的歷史意義，是人類對物質世界認知的一大突破。但其實量子的概念是上個世紀初很多解釋不了的實驗數據所催發的一個必然產物。

• 1900年，量子的概念首先由普朗克提出，成功解釋了當時的“黑體輻射”數據；
  
• 1905年，愛因斯坦提出了光量子的概念，成功解釋了當時“光電效應”的實驗規律；
• 1913年，玻爾受到光譜學中巴耳末公式的啟發，提出了基於量子概念的氫原子模型，成功地解釋了氫原子的不連續光譜。

量子現象

微觀世界是量子化的，是我們認知微觀世界所必須的一個最基本的概念，同時也是很多新奇物理效應（比如超導）的微觀根源。我們在這裡介紹幾個比較典型的量子以及和其有關的有趣物理現象，來幫助大家認識量子的概念。

1. 電子和能量量子：電子的能量是量子化的，並不是能取所有的值。多電子原子的電子分佈在不同的軌道上，能量或者說電子的狀態也會有所不同。更深入的知識告訴我們，電子的位置是不能確定的，而是具有一定的不確定性。我們只能用它在空間某一點出現的概率去描述它，因此就出現了各種各樣的電子雲，如下圖。圖1. 不同形狀的電子狀態(電子雲，圖片來自於wikipedia:Atomic orbital)

2. 光子：由於電子的能量是分立的，電子在不同狀態之間變化時（專業術語叫量子躍遷），便有可能發射出光子，因此光子的能量也是量子化的。圖2. 兩個不同能量的光子，光子頻率也是不同的，紫色的光子能量要比黃色的高(圖片來自於wikipedia: Photon)

3. 自旋：自旋的全稱是自旋角動量量子數，因此，首先它是一個數，例如電子的自旋是1/2；其次，角動量是有方向的，而量子化的自旋角動量方向也是分立的，只有上下兩個方向，因此電子的自旋只有+1/2和-1/2兩種。電子自旋和宏觀材料的磁性具有很密切的關係，他們都有兩個方向，這是我們最容易認識到的二者之間的共性。圖3. 電子自旋示意圖

量子世界的許多怪異的結論導致了很多出乎意料的現象。我們最常聽到的就是超導了，這是一種在某個臨界溫度以下電阻為零的狀態，對於電流傳輸而言，超導材料是無損耗的，因此具有極大的應用價值。而之所以超導，究其內因，就是和量子世界的規律緊密相關的。

量子與現代科技生活

毫不誇張地說，沒有量子就沒有現代科技生活

為什麼這麼說呢？現代的科技生活，究其根源，是由於半導體工業的巨大發展提供了足夠好的硬件條件。而半導體工業中使用的半導體材料，其優良的性質就是跟量子的概念緊密相關的。最常用的硅基半導體，就是在量子力學的基礎上研究發展起來的。由於涉及到了更深入的物理，這裡便不再多說了。

圖5. 半導體芯片

量子驛站

關於量子的問題一個回答不能說的很全面，我在這裡簡單的回顧一下量子的提出。

十九世紀的最後一天，歐洲的物理學家齊聚一堂，迎接新世紀的來臨。著名的科學家開爾文爵士驚歎於物理學的偉大成就，自豪的說：“物理學的大廈已經建成，後世的物理學家只要做一些修修補補的工作就可以了。”

開爾文這麼說，是因為在那個時代，經典力學通過牛頓、拉格朗日、拉普拉斯等人的貢獻已經清楚的解釋了物體之間的相互作用和天體運行規律，麥克斯韋電磁方程組將電與磁完美的統一起來，熱力學統計物理可以解釋分子的運動規律，彷彿物理學已經完全成熟了，沒有什麼重大的理論問題需要解決。以後的物理學家只需要將物理常數的精度提高几位就可以了。

但是，開爾文同時也說：“在物理學晴朗的天空中，還飄著兩朵令人不安的烏雲。”他所說的這兩朵烏雲其一是指黑體輻射問題中實驗結果與理論不符合，另一朵是指尋找光的參考系-以太的麥克爾孫莫雷實驗的失敗。

恰恰是這兩朵烏雲，發展成為二十世紀物理學最偉大的兩個發現：量子力學和相對論的誕生。人類認識到自己探索自然的道路還很漫長。

我們首先介紹一下黑體。物理研究發現：一切物體都在吸收、反射和輻射電磁波。如果一個物體只吸收和輻射電磁波，不反射電磁波，這個物體就稱為黑體。比如太陽就可以看作一個黑體，因為太陽的輻射特別強，輻射的電磁波強度遠遠大於反射的電磁波。

人們經過研究發現，黑體輻射的情況與物體的溫度有關。

圖中縱座標是單位波長單位面積輻射功率，橫座標是波長。我們通過這個圖可以發現兩個結論：

第一：物體溫度越高，輻射強度越大。根據斯特番-波爾茲曼定律，黑體單位面積輻射能量與溫度的四次方成正比。人們根據這個規律及算了太陽表面溫度。

第二，物體溫度越高，輻射強度最大處的波長越短，滿足維恩位移定律。比如熾熱的鐵塊會發光，而且溫度不同時，顏色也不同。

但是，這兩個定律都是實驗規律，如何從理論上解釋呢?

卡文迪許實驗室主任瑞利從經典電動力學出發，推導出一個黑體輻射公式，即瑞利-金斯公式。

不過，這個公式並不能符合實驗結果。只有在波長比較大的時候，公式才與實驗結果符合，在波長較小時，公式與實驗結果偏差很大。

最可怕的是：當波長趨近於零時，瑞利公式的結果發散，輻射強度無窮大，這顯然是很荒謬的。人們無法調和理論和實驗結果，並把這個問題稱為“紫外災難”（這是因為紫外是比可見光波長更短的光，表示波長短時實驗結果與理論值不符）。

為了解釋這個問題，許多物理學家提出了自己的見解。最成功的是德國科學家普朗克。以下是普朗克學習物理過程中相貌變化圖。

普朗克在1900年提出：為了解釋黑體輻射現象，必須做出一定的假設，這些假設可能與人們熟悉的物理學規律不同。

振動的帶電粒子能量是一份一份的，每一份的能量都與振動頻率有關，稱為一個能量子，或簡稱為量子。

按照這個假設，普朗克推導出了黑體輻射的普朗克公式。

這個公式與實驗結果符合的非常好。十八年後，普朗克獲得諾貝爾獎。

能量子的概念提出後，許多物理學家借用這個概念得出了豐碩的成果。例如愛因斯坦，1905年愛因斯坦借用普朗克的觀點解釋了光電效應實驗。愛因斯坦說：光的能量也是一份份的，每一份稱為一個光量子，或簡稱光子，光子的能量與頻率的關係也滿足普朗克公式。從此人們認識到光是具有波粒二象性的，愛因斯坦也因此獲得諾貝爾獎。

再往後，德布羅意指出所有的物質都具有波粒二像性，波恩提出概率波的觀點，薛定諤提出波函數滿足的方程薛定諤方程，波爾利用量子觀點解釋了原子的能級結構，量子力學蓬勃發展起來。

現在人們認識到：量子力學是統治微觀領域的物理規律，它與宏觀世界滿足的規律不同。

李永樂老師

量子是現代物理學裡面的一個重要名詞。現代物理學是相對於牛頓的古典物理學而言的，又稱為微觀物理學，高能物理學，或量子力學。

量子屬於西方物理學所定義的基本粒子之一，其實質上屬於無法通過實驗證明認知的形而上的微觀領域。人類每一次在觀察手段如電子顯微鏡、隧道掃描顯微鏡、氫氣泡室等方面有所突破的時候，都是會震動世界的大事。諾貝爾物理學獎也多次授予在該領域有所突破的科學家。但對非專業人士，要認知量子卻並不容易。

我們可以通過德謨克利特的原子論、西方物理學對基本粒子的定義、曾經被認為是基本粒子的原子、量子、質子和夸克的定義以及其研究發展歷程，再結合中國老莊之道對宇宙本體的解讀，來深刻了解一下量子世界，瞭解一下中國優秀傳統文化的來源問題。

何為基本粒子？指人們認知的構成物質的最小或/及最基本的單位。現代物理學的這個定義並不嚴謹和合理。首先，人們認知≠實驗證明，人類認知能力除了實驗證明之外，尚有理性和邏輯認知、修真入道認知等；

其次，在唯科學主義盛行的時代大潮之下，人們認知被侷限於實驗證明觀察手段的認知能力；再者，物質是笛卡爾“機械自然觀”及“精神物質二元本體論”所產生出來的名詞定義，機械割裂了精神與物質，而世界上並無純粹的精神或物質存在，宇宙萬物實質上是精神物質渾然一體的一元本體，即道本體或稱元氣本體。

因此，基本粒子合理的定義是：構成宇宙萬物的最小或/及最基本的單位

神奇的量子世界

德謨克利特的原子論與科學

德謨克利特認為，萬物的本原是“

德謨克利特說：宇宙的一切事物都是由在虛空中運動著的原子構成。所謂事物的產生就是原子的結合。原子處在永恆的運動之中，即運動為原子本身所固有。原子是永恆的、不生不滅的；原子在數量上是無限的；原子的體積微小，是眼睛看不見的，即不能為感官所知覺，只能通過理性才能認識。世界是由原子在虛空的漩渦運動中產生的。宇宙中有無數個世界在不斷的生成與滅亡。人所存在的世界，無非是其中正在變化的一個。所以他聲稱：

提出原子本體論的德謨克利特

德謨克利特的原子本體論當然不可能源自科學的實驗觀察，而是來自哲學的理性思考。經過2000多年的探索，一直到了17~18世紀，化學家發現了物理學的根據：對於某些物質，不能通過化學手段將其繼續的分解。化學家通過實驗，證實了“某種不可分的物質微粒

1661年，自然哲學家羅伯特·波義耳出版了《懷疑的化學家》（The Sceptical Chymist）一書，他認為物質是由不同的“微粒”或原子自由組合構成的，而並不是由諸如氣、土、火、水等基本元素構成。恩格斯認為，波義耳是最早把化學確立為科學的化學家。

英國化學家羅伯特·波義耳

1789年，法國科學家拉瓦錫依據德謨克利特對原子的定義，重新定義了“

1803年，英國化學家約翰·道爾頓在進一步總結前人經驗的基礎上，提出了具有近代意義的原子學說。這種原子學說的提出，開創了化學的新時代，解釋了很多物理、化學現象。他認為：原子是一種元素能保持其化學性質的最小單位。原子是化學變化的最小粒子，分子是由原子組成的，許多物質是由原子直接構成的。每一種元素只包含唯一一種原子，而這些原子相互結合起來就形成了化合物。

英國化學家約翰·道爾頓

量子、質子與夸克

1897年，在研究關於陰極射線的工作中，英國物理學家約瑟夫·湯姆生打開了原子的大門，發現了電子以及它的亞原子特性，粉碎了一直以來認為原子不可再分、原子是基本粒子，“原子=宇宙本體”的設想信條。

1900呢，一位謹慎的德國物理學家馬克斯·普朗克首先提出了量子的概念，掀起了20世紀初量子物理學的帷幕。

量子一詞來自拉丁語quantus，意為“有多少”，代表“相當數量的某物質”，高能物理學對量子基本定義為：“量子是最小的不可分割的物理量”。

年輕時的普朗克真是一個洋帥哥

1905年，德國物理學家愛因斯坦把量子概念引進光的傳播過程，提出“光量子”（光子）的概念，並提出光同時具有波動和粒子的性質，即光的“波粒二象性”。

1918年，英國物理學家歐內斯特·盧瑟福任卡文迪許實驗室主任時，用α粒子轟擊氮原子核，注意到在使用α粒子轟擊氮氣時他的閃光探測器紀錄到氫核的跡象，發現了質子，並預言了不帶電的中子存在。質子命名為proton，這個單詞是由希臘文中的“第一”演化而來的。盧瑟福因此提出：原子序數為1的氫原子核即質子是一個基本粒子。

1928年，英國物理學家狄拉克完成了矩陣力學和波動力學之間的數學等價證明，將兩大理論體系——相對論和量子力學成功地結合起來，揭開了量子場論的序幕。

20世紀30年代中期發明了粒子加速器，科學家們能夠把中子打碎成質子，把質子打碎成為更重的核子。發現核子之後，盧瑟福“質子是基本粒子”的主張不攻自破！

發現質子的遠古科學家盧瑟福

20世紀50年代，唐納德·格拉澤發明了“氫氣泡室”，將亞原子粒子加速到接近光速，然後拋出這個充滿氫氣的低壓氣泡室。這些粒子碰撞到質子（氫原子核）後，質子分裂為一群陌生的新粒子。這些粒子從碰撞點擴散時，都會留下一個極其微小的氣泡，暴露了它們的蹤跡。科學家無法看到粒子本身，卻可以看到這些氣泡的蹤跡。

1964年，美國物理學家默裡·蓋爾曼和G.茨威格各自獨立提出了中子、質子這一類強子是由更基本的單元——Quark組成的。夸克是夸克的空間尺度是微觀粒子中最小的，大約小於10-^19次方米。

可以觀察夸克運動痕跡的氫氣泡室

普朗克的“量子”=莊子的“小一”嗎？

古希臘哲學家德謨克利特的原子論是一種哲學本體論主張，拉瓦錫借用德謨克利特的原子概念，把“用化學手段不能分解的最小單位”稱為“原子”。湯姆生打開了原子的大門，發現了電子以及它的亞原子特性，原子不在是基本粒子。普朗克提出了最小的不可分割的“量子”概念，但卻並無實驗證明。盧瑟福發現了質子的痕跡，認為“質子”是基本粒子。格拉澤發明了“氫氣泡室”，觀察到質子分裂後的新粒子；蓋爾曼和茨威格各自將這種新粒子命名為是“夸克”，提出質子和中子是有3個夸克組成的夸克模型，榮獲1969年諾貝爾物理學獎。

右側是提出夸克模型榮獲1969年諾貝爾物理學獎的默裡·蓋爾曼

之所以學術界極端重視微觀粒子的發現，是因為西方物理學家試圖用微觀粒子來解讀整個宇宙自然的規律，這種邏輯是源於基本粒子=宇宙本體。人類一旦能夠認知和解讀基本粒子，代表著已經揭示出了宇宙自然之奧！但西方物理學用人為力的視角來解讀自然，把基本粒子定義為是人們認知並能實證的構成物質的最小或/及最基本的單位。

拉瓦錫把原子當成是基本粒子，盧瑟福把質子當成是基本粒子，蓋爾曼和茨威格又把夸克當成是基本粒子。後來的研究又發現，夸克內部本身也很複雜，僅僅種類就有6種，稱其為基本粒子不符合邏輯。美籍華裔物理學家丁肇中，就是因為其領導的布魯克黑文國家實驗室於1974年發現了6種夸克之一的璨夸克，而榮獲了1976年的諾貝爾物理學獎。

丁肇中在臺灣大學介紹實驗物理的宣傳海報

極端重視實驗物理的傾向，源自自然科學始祖、近現代哲學之父笛卡爾“普遍懷疑”的認識論主張。從邏輯上來說，人類可以藉助於科學儀器用實驗觀察的方式證明微小粒子的存在，代表的是人為現有的認知能力，而非宇宙自然實質上的基本粒子。人為無法通過實驗證明來進行認知的並非不存在。

科技的進步可以拓展人類能夠實驗觀察證明的範圍，但一方面這種進步是有度的，從分辨率的角度來看，從肉眼0.1-0.2毫米，光學顯微鏡0.2微米，電子顯微鏡0.2納米，到最尖端的隧道掃描顯微鏡0.1埃米，即10^-11次方米，也只能觀察到原子，對更加微小的“原子核”、“質子”和“夸克”則只能是間接觀察，即通過痕跡來確定其存在；另一方面，不管是宏觀宇宙，還是微觀粒子，認知的永遠是圓圈內的部分，圓圈越大，外面未知的領域就更大。

《中庸》第13章，子曰：“

儒家始祖、先秦文獻整理集大成者孔子

相反，道即宇宙本體並非不能實驗證明，只是其實證的手段並不藉助於高科技設備，而是芸芸眾生就可以為之的，而且在中國至少已經歷經6500-7000年以上，從人文始祖伏羲開啟，黃帝、文王、周公、管子、老子、孔子、墨子、宋鈃、尹文、孟子、莊子、惠子、王充、張載等等思想界的大咖們全部都是通過修真入道的方式，實證了道即元氣存在的。他們的傳世之作都是在證悟。

中國曆朝歷代的修真者不計其數，在這個高度文明的信息時代，茫茫人海之中的修真者也如恆河沙數。中國哲學的三大理論：元氣論、陰陽律和五行論，奠基於元氣本體論基礎之上的中醫理論，乃至於中國傳統文化之中的優秀精華，絕大多數都是來自於通過修真實證了元氣存在，並能將元氣與表象運用理性邏輯手段相結合的可以證悟的思想家。

為何說修真入道方式不是遠人之道呢？因為人人可為，不需要什麼外在的苛刻條件限制。何為修真？修，修煉、修行；真，真氣，真理，本體。修真可以簡單理解為是修煉真氣、修行真氣、觀看本體。其方式就是通過調息導引、靜心淨心、抑識神、興元神，就可以實證元氣存在了。

老子“致虛極，守靜篤”

《老子》第16章“致虛極，守靜篤。萬物並作，吾以觀其復。”識神即自我意識可以感知的“我”，抑識神達至虛極之後，人進入入靜入定態之後，掌控自然力系統的潛意識主宰者元神興奮起來，就可以實證宇宙萬物內部元氣本體循環往復的發展變化規律了。從人文始祖伏羲在7000年前開啟華夏文明之後，歷朝歷代的修真者實乃中國文化可以一脈相承地延續發展至今的中堅力量！

當今世界的人文舞臺上是西方文化一枝獨秀在獨領風騷，以自然科學為代表的西方文化確實給人類生活帶來了極大的便利，科學也確實是一個好東西。但西方文化對本體無解，使自然科學把人為力研究到了極致，卻根本就沒有認知自然力！因為本體=自然，元氣力=自然力！

在全面復興中國優秀傳統文化的時代背景之下，把中國文化最光輝燦爛的一面——由伏羲-黃帝-文王-老子-莊子開啟、傳承和發展而來的道本體論，發掘之、傳承之，中西文化交流互鑑、互相印證、取長補短，並與時俱進地予以創新，實乃是當代文人學者所肩負的最重要的歷史使命！

夸克在氫氣泡室中的“鬼”跡.

奉行邏輯實證主義的自然科學的特質是定義明確、概念具體、數據、實證。而高能物理學發展到今天，夸克的軌跡卻看似雜亂無章，毫無秩序的“鬼”跡；量子力學對微觀粒子的認知侷限於測不準、不確定、模糊、量子糾纏和波粒二象性等。可見，量子世界並不適合於用追求明確、具體、數據和實證的科學手段來進行解讀。

量子領域的研究之所以被拔高到終極科學的高度，因為其目標是為了解讀宇宙自然之奧。《老子》第62章曰：“

量子有多大？德國物理學家普朗克曾經提出過“普朗克長度”，其數值為1.6×10^-35米。普朗克長度又被稱為是“長度的量子”。夸克的直徑約為10^-19米，夸克比量子大了10^16方倍。地球直徑12756千米，即1.2756×10^7次方米，一個大螞蟻的長度約1.7-1.8cm，即1.7-1.8×10^-2次方米，地球直徑充其量是螞蟻長度的10^7次方倍。

量子的定義是最小的、不可分割的物理量，量子的定義與《莊子-天下》對“小一”的定義是相同的：“至大無外，謂之大一；至小無內，謂之小一。”即普朗克“量子”=莊子“小一”！

既然“量子”的定義與“小一”的定義相同，我們可以用老莊之道來解讀量子世界。西方科學家無法用科學定律、數學公式和分子式來解讀量子世界，量子發展變化“測不準、不確定和模糊”不正是宇宙本體元氣形而上的自然屬性嗎？但看似無序，事實上宇宙本體元氣的運動是有序的，但這個“序”不是科學定律、數學公式或分子式，因此不適合用科學手段來進行研究；而是適合於用哲學手段來抽象概括！

戰國時期道家大師莊周

這種解讀宇宙之奧的方式，可以用《易經》的“變易”、“簡易”和“不易”——“三易”來理解，宇宙萬象錯綜複雜、千姿萬態，處在不斷的發展變化之中——“變易”，無法用明確、具體、精準的科學語言來進行解讀，但卻可以用“簡易”的哲學語言，將宇宙本體“不易”的本質抽象出來。如《莊子-知北遊》對宇宙本體的命題“通天下一氣耳！”西方物理學所研究的基本粒子，包括原子、量子、質子、夸克等等，全部都是元氣的產物，其發展變化是由其內部元氣聚散消長的變化決定的！

中國文化包括中國醫學就是源自中國道本體的三大哲學定律——元氣論、陰陽律和五行論！高能物理學研究出來的“量子糾纏

量子世界的大咖們

西方自然科學是用笛卡爾“機械自然觀”的立場解讀宇宙自然規律的。愛因斯坦所說的光的“波粒二象性”，德布羅意所說的“物質波”與“物質粒子的波粒二象性

而狄拉克的量子場論則屬於宇宙本體的存在場，這個存在場也就是元氣場。由伏羲-黃帝-文王-老子-莊子開啟、傳承和發展而來的道本體論，是用元氣自然觀的立場解讀宇宙自然規律的。天有天的元氣場，地有地的元氣場，人有人的元氣場，萬物有萬物的元氣場，粒子有粒子的元氣場。這些全部都在莊子“通天下一氣耳！”的宇宙本體元氣的範疇之內！

有人說，中國文明就是修真文明！向從伏羲開始，開啟、傳承和發展完善中國道本體、中醫等優秀傳統文化的古聖先賢的修真者致敬！

文喜有話說 2012.12.30.

文喜有話說

量子是最小的、不可再分割的能量單位。中學物理書上提到的分子、原子、電子，其實都是量子的不同表現形式。也可以說，世界都是由量子組成的。而我們每個人，都是24K純量子產品。

量子力學開創者之一、奧地利物理學家薛定諤曾用一隻貓來比喻量子態疊加：箱子裡有一隻貓，在宏觀世界中它要麼是活的，要麼是死的。但如果在量子世界中，它同時處於生和死兩種狀態的疊加。

一個量子已經很奇怪，當兩個量子糾纏在一起，其不確定性連愛因斯坦都受不了：無論相隔多遠，當一個量子的狀態發生變化，另一個量子也會超光速瞬間發生如同心靈感應的變化。

量子通信和量子計算

直至今天，人類仍然還沒搞清楚量子為何如此神秘，但國際主流學界已經接受了量子這種特殊性的客觀存在。更重要的是，人們可以利用量子的奇異特性開發創新型應用，比如量子通信和量子計算。例如，量子通信是科學界利用量子特性最早開發的信息應用，它的出現也與時代的需求息息相關。它的不可分割、測不準、不可克隆等特性，使得理論上絕對安全的量子通信成為可能。

基於量子的疊加態與糾纏特性，量子計算機被認為將是最具威力的量子信息應用。此次亮相的多光子可編程量子計算機，就是探索之一。

以有限化無限

量子在現代的理解中，意思是任何物理性質的最小可能離散單位，如能量或物質。量子這個概念出現在1900年之後，當時物理學家馬克斯·普朗克（Max Planck）在德國物理學會的演講中使用了這種叫法。普朗克試圖找出發光體的輻射從紅色變成橙色，隨著溫度升高最終變成藍色的原因。他發現，通過假定輻射存在最小的離散單位，就像一般的物質一樣，而不是像以前假設的那樣只是一個恆定連續的電磁波，那麼他就可以找出他的問題的正確答案。

普朗克寫了一個數學方程，普朗克方程，這個方程涉及一個符號來表示單個的能量量子。他叫單位量子。例如，光子是光的單位量子（或者任何其他形式的電磁輻射的），並且可以被稱為“光量子”。 類似地，原子內結合的電子的能量也是量子化的，因此只能以某些離散值存在。 電子只能在原子中以離散能級存在的事實導致原子穩定，因此物質一般是穩定的。

最初普朗克認為，量子的發現只是一個理論工具。但事實上，它的出現後來發展成了一個全新的，基本的自然規律。這個規律就是20世紀大名鼎鼎的量子理論。量子理論和愛因斯坦的相對論共同解釋了地球上所有物質和能量的本質和行為，構成了現代物理學的基礎。然而，這兩者之間仍然存在衝突。愛因斯坦一生中大部分時間都在尋求他所謂的統一場理論 - 一個可以調和兩個理論的不相容性的新理論。後來，超弦理論和M理論被提出作為統一理論的候選人被髮展出來。

低熵製造機

最初我們對自然界的認知是建立在牛頓那些人建立的經典物理學的世界裡面，在宏觀的世界中，我們能夠用肉眼所見的物理現象差不多都能夠得到解答，類似萬有引力、自由落體這些基本物理原理，我們已經可以對某些事物的情況進行精確的計算，但是自從電燈泡被髮明之後，我們就對發熱物體表現出來的光比較迷惑，那就是為啥加熱的燈絲可以發射出紅黃光和白光，卻沒有進一步出現藍光和紫光呢，光譜分析所得到的藍紫光也比較少，那麼究竟加熱物的溫度與光有什麼聯繫，這些都是以前的物理所不能解釋的。

帶著這個問題，馬克斯·普朗克採用了黑體輻射器對溫度和光的頻率進行了研究，並在1900年發表了《論正常光譜能量分佈定律的理論》，得出了黑體輻射定律，並提出了最小能量源E這個概念，首次表明了能量的不連續性結果，這成為普朗克的能量量子化假說開端，也為將來量子學發展埋下了伏筆，不過這一理論與當初認為的能量均分定理相違背，所以他的理論僅被當時的人當做茶餘飯後談論的話題，幾乎沒多少人拿這當回事，僅在做實驗的時候拿的他理論來使用一下。

不過對這個能量E真正解釋清楚的是愛因斯坦，因為當時世界已經發現了光電效應這種現象，但是按照傳統物理學的理論，光是一種連續的電磁波，理論上只要提供足夠強度的光對金屬表面照射，就可以讓電子脫離金屬表面，然而事實上這種現象的發生僅與光的頻率有關，而與其強度無關，這無疑給了物理界澆了一盆冷水，而愛因斯坦在普朗克能量量子的假設下，巧妙的將光解釋成為粒子，或者叫“光量子”，每一個光子的能量都與其頻率成正比，能量為hv，頻率越高，能量越大，於是可以打出的電子就越多，這最終解釋了光電效應的問題，同時也解釋清楚了E的問題，也使得人們對光的認知進入了一個新的時代。

十九世紀和二十世紀是一個科技爆炸的年代，同一時期與量子相關的還有原子光譜的問題，那就是將稀有氣體放在一根玻璃管中通入高壓電，裡面的氣體就會發光，而將其光用分光鏡分離的時候，就出現了非常確定的分立光譜線條，請注意，是非常確定，這實驗結果與其他光源光譜出現的連續分佈光譜不同，人家呈現出均勻分佈的帶狀，而它則是分立的線條狀，這個問題困擾著當時的科學家。

這些新興的理論提出無疑在挑戰著當時的經典物理學，因為他們想象不到在微小的事物上會有這樣的問題，如果你覺得量子學說在此就完結的話，那麼接下來要講的就會一舉打破你對傳統事物的認知範圍，這就是著名的電子雙縫實驗。最初我們都認為電子是一個個體，所以它在穿過孔洞的時候應該是和普通球體穿過孔洞一樣的，例如無數電子穿過一條縫的時候，打在背後的屏幕上就應該是一條線，而穿過兩條縫隙的時候就是兩條線才對，但是實驗中，電子束在穿過兩條縫隙的時候則表現出了波的特性，在屏幕背後出現了明暗間隔的條紋，這是波才具有的干涉現象，如果你認為可能是電子束中的電子非常的擁擠造成的現象，那麼好，實驗則改為發射單個電子繼續實驗，最初打過去的電子一個則會顯示一個，於是打過去無數多個電子之後，同樣的現象發生了，依舊是波的干涉現象，這裡就出現了一個非常大的問題，那就是電子原本是個粒子，打過去的粒子一個則是一個，為啥會出現干涉的現象呢，唯一的解釋就是同時出現了兩個電子在縫中穿過，和波的干涉原理一樣，兩縫同時有波穿過才能互相干涉形成條紋，這就意味著電子在穿過縫細前是先變成兩個電子，然後穿過縫細後再互相干涉變成一個的，而這種現象同時也出現在了現今的單光子雙縫實驗一樣，粒子怎麼會突然間表現出波的性質呢。

如果你覺得一定是實驗無法發射單個電子或者光子做實驗的話，那麼請繼續往下看，接下來的這個實驗就非常的離奇了，當科學家們希望採用科學儀器探測單個粒子穿過縫隙來研究粒子具體怎麼穿過縫細的，神奇的事情發生了，波的干涉條紋消失了，留下的是一個雙縫條紋，這一實驗結果即使是留在現今我們也是大惑不解，觀測直接可以影響結果的實驗，看得出電子類似一種有意識的事物，當你觀測的時候表現就像普通粒子一樣，當你不觀測的時候就表現出波的性質，這就像《三體》講到的用質子鎖死地球科技一樣，這一結果讓我們對世界產生了懷疑，我們這個世界是真實的嗎？

目前為止對此解釋的比較準的就是波動學說，其中著名的薛定諤方程就是代表之一，他表示這些電子其實就是概率波，電子打過去之後具體落在哪由概率決定，因此事先我們都是不能知道具體的電子情況的，具有概率性和不確定性。

至於之後的量子糾纏算了不說了，累，量子用目前的解釋來講，就是一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，並把最小單位稱為量子，通俗地說，量子是能表現出某物質或物理量特性的最小單元。

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在解釋量子的具體概念之前，我們要先了解“經典世界”（經典物理）與“量子世界”（量子力學）這組相對概念。

量子概念被提出之前，物理學是被經典世界統治的。簡單地說，我們日常生活中的絕大多數物理現象可以用以牛頓力學為主體的一套經典物理學理論來精確地描述。

而當我們探測到微觀的尺度時，會發現之前經典物理學理論與現實非常不符。幸而普朗克引入了量子概念，讓我們可以解釋微觀世界的一些物理現象，這就有了受量子力學規律統治的“量子世界”。

▲德國物理學家馬克斯·普朗克

“經典世界”的特點是，物體的物理量、狀態在某個時刻是完全確定的：經典信息要麼是0，要麼是1，毫不含糊。

但在“量子世界”中，客體的物理量則是不確定的、概率性的，而且這種不確定性與實驗技術無關，是量子世界的本質特徵，無法消除。

所以量子到底是什麼呢？普朗克假定，光輻射與物質相互作用時其能量不是連續的，而是一份一份的，一份“能量”就是所謂量子。

“量子”是量子世界中物質客體的總稱，它既可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是超導體、“薛定諤貓”等宏觀尺度下的量子系統，它們的共同特徵就是必須遵從量子力學的規律。

話說回來，其實沒有那樣的尺度把世界分成是經典的和量子的，這個世界本來就是量子的。在尺度變大的情況下，我們取近似，物理就剛好變成經典的，這時量子效應可以完全忽略，我們才不考慮量子力學。

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普朗克（M.Planck ,1858~1947)，德國物理學家，量子論奠基人。 1918年諾貝爾物理學獎。

1900年，普朗克在黑體輻射研究中引入能量量子，即普朗克量子假說——電磁輻射的能量交換隻能是量子化的：

對一定頻率的電磁波，物體只能以 hv為單位吸收或發射它，即吸收或發射電磁波只能以“量子”方式進行，每一份能量叫一能量子。

量子是指一個不可分割的基本個體；能量是一份份的能量子，而微觀粒子也都是量子，比如光量子。

"量子化" 指其物理量的數值會是一些特定(離散)數值, E = nhv，而不是任意(連續)值。

普朗克第一次把能量的不連續性引入人對自然過程的更進一步的認識，對20世紀20年代量子理論的進一步發展起了主要作用。

此後幾年中，原子物理學發展得很快。在1923～1927年間，一個關於微觀體系的新理論體系—量子力學建立起來了。

從德布羅意（De Broglie）的波粒二象性假設開始，海森堡（Hersenberg）和薛定諤（Schrodinger）兩人幾乎同時從不同的角度研究了這個問題，各自提出了自己的理論。後來證明，這兩種理論是等價的。後來有其他多位學者參加，共同完善了量子力學理論 。

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量子就是量子化的意思。本來是彌散連續的物質形式，在微觀世界就離散化成由很小的基本量構成的形式。能量在不同環境下(如引力場中)形成了不同的最小能量單元組成的離散結構。如光子，形成不同頻率下的能量單元，即不同的基元量子。也就是說，在不同環境下，量子化單元也是不同的！

量子化思想是與物質無限可分悖論緊密聯繫的。也就是說，物質不斷分割下去，形成了一個一個可存在的能量單元，即各種粒子。物質再往下分就會形成所謂“抽刀斷水”形式，即存在物質形式不變的變換或算子。物質分割操作(或算子)將形成解形式不變的方程。

目前來看，每種粒子都可看作是某個分割序列下的，基本能量子單元。這也恰恰是量子力學給出的思想。

量子化除了在物質上體現出來以外，而且與物質密不可分的存在上也出現了，如時空量子化，粒子空間幾率(信息)量子化。

總之，量子化在一切存在上都體現出來了。物質無限分割時就出現了能量子量子化，形成一個一個不同粒子，其對應的出現相互作用力，強和弱相互作用。而時空量子化過程，其對應出現相互作用，引力相互作用。幾率(信息)量子化過程，其對應出現了幾率真空力(暫時不知其對應力，也可能是電磁力)。依此推理，我們還可考察物質其它本質屬性的量子化過程，及其帶來的概念和應用。不知運動怎麼量子化，其應用如何，還需諸位來思考。

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施鬱

（復旦大學物理學系教授）

在物理學中，量子可以是名詞，也可以是形容詞。既然問題問“什麼是量子？”我就按照名詞來回答，雖然形容詞的用法更多，我也在其他地方談過。

最早，普朗克引入“量子”一詞時，就是一份一份的意思，有個基本單位，物質輻射出電磁波的能量總是某個基本單位的整數倍，那個基本單位就是頻率乘以一個基本常量（人們稱之為普朗克常數）。

後來，愛因斯坦說，電磁波（也就是光）的能量本來就是一份一份的，叫作光量子。1924年以後，光量子被簡稱為光子。

再後來（過了近20年），德布羅意說，量子力學中，物質粒子，比如電子，也是波。這些量子粒子也可以叫作量子。

後來量子場論發展起來了，人們就將每種量子場在真空基礎之上的激發叫作這個場的量子，它們具有粒子性。 光量子就是電磁場的量子，電子是電子場的量子，如此等等。

在大量粒子的相互作用體系中，集體運動模式在量子力學框架中也表象出量子性，相應的基本激發也是量子。比如固體中的聲子，就是振動的量子。 它們具有粒子性，叫作準粒子。 比如去年熱鬧了一陣的拓撲材料中的天使粒子就是準粒子，也是一種量子。

說這些量子具有粒子性，是指它們有動量、能量，像一個粒子，但是是服從量子力學的運動規律的，比如是由量子態描述，動量與位置之間滿足不確定原理，也就是說不能同時具有確定值，等等。

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