匡天

有些詞語如果不是登上了頭條的話，我們大概總也想不起來，比如說“量子”。最近一次我注意到這個詞語還是在《蟻人2》這部電影中，什麼“量子世界”、“量子能量”、“量子隧道”隨處可見的“量子”將整部電影的逼格提升了至少一個“量子”的臺階。不過“量子”究竟指的是什麼呢？就像我們知道的很多概念一樣，隱約知道它的意思，但想要詳細的解釋卻無從開口。

關於量子

在網絡上可以看到很多話題，有問“量子到底存在嗎？”有問“量子是什麼啊？”還有討論“量子針灸”的，有用“量子力學”套宗教和心靈感應的，還有用“量子力學”解釋靈魂和自由意志等“形而上學”的。（關於形而上學的解釋可以參見我的上一篇文章https://www.toutiao.com/i6632828507669922307/）

那量子究竟是什麼呢？

有人說“我知道分子、原子，想必量子也是這麼一個類似的東西吧，你看隔壁的王大媽拿著量子茶杯喝著量子水，家裡的保健器械很多也帶著“量子”標誌。”隔壁王大媽進入了“量子世界”怎麼掙脫出來是王大媽兒女的事，不過可以肯定的是不會比初代“黃蜂女”從“量子世界”逃脫要難。重點是我們怎麼擺脫這個“量子陷阱”，本來就掙得不多還要給“量子”買單，太虧了。

所以為了防止我們落入“量子陷阱”，讓我們瞭解一下“量子”，以及20世紀物理學兩大支柱之一的“量子力學”。

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”。這是量子一詞本來的意思。

而在物理學中的定義則是：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。指一個不可分割的基本個體。例如，“光的量子”（光子）是一定頻率的光的基本能量單位。而量子力學是則研究微觀粒子運動規律的學科，是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的結構和性質的基本理論。

量子與量子力學似乎是最近這幾年突然火起來的，先是《生活大爆炸》中幾位物理學家為大家科普了一下量子力學的知識，緊接著中國的量子衛星發射上天，然後量子計算機的消息又被炒得火熱。一直在物理學家圈子的話題也成為了普通人討論的對象，這讓人不經有一種錯覺，彷彿量子力學剛剛被發現一樣。

但是注意，我說過“量子力學”是20世紀物理學兩大支柱之一（另一個是廣義相對論），因為量子力學正好誕生於1900年，真是巧合啊，在人類邁入新世紀的第一年。

在1900年，普朗克計算一個“熱匣子”內處於平衡態的電磁場。為此他用了一個巧妙的方法：假設電磁場能量都分佈在一個個的“量子”上，也就是說能量是一包一包或一塊一塊的。用這個方法計算出的結果與測量得到的數據完全吻合（可見在一百多年前，普朗克就回答了量子是存在的問題）。

普朗克大神髮際線感人

但是普朗克得到的結果與當時人們的認知完全不一樣，人們認為能量是連續變動的。同樣對於普朗克來說，把能量視為一個個能量包塊的集合只是計算上使用的一個特殊策略，他自己也不知道為什麼這個辦法就會奏效（劃重點），真正確認這些“能量包”存在的是愛因斯坦（現在知道愛因斯坦地位為什麼這麼高了吧，20世紀兩大物理學支柱，廣義相對論是由愛因斯坦憑藉一己之力思考、孕育出來的，而在量子力學領域，愛因斯坦也起到了至關重要的的作用）。

這個人就不介紹了

他在《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》這篇論文中是這麼說的“確實現在在我看來，關於黑體輻射，光致發光、紫外光產生陰極射線，以及其他一些有關光的產生和轉化的現象的觀察，如果用光的能量在空間中不是連續分佈的這種假說來解釋．似乎就更好理解。按照這裡所設想的假設，從點光源發射出來的光束的能量在傳播中不是連續分佈在越來越大的空間之中，而是由個數有限的、侷限在空間各點的能量子所組成，這些能量子能夠運動，但不能再分割，而只能整個地被吸收或產生出來。

這是量子理論誕生的真正宣言，如果說普朗克是量子理論之父的話，那愛因斯坦就是讓這項理論茁壯成長的養育者，也是憑藉這項研究愛因斯坦獲得了諾貝爾獎，但有意思的是愛因斯坦拋棄了他“養育”的理論，之後的發現是如此“荒謬”，以至於他一有機會就抱怨，說這實在太不合理了。

丹尼斯·玻爾

在愛因斯坦之後，也就是20世紀10—20年代，丹尼斯·玻爾（他是愛因斯坦最強勁的對手）繼續引領這一理論的發展。玻爾瞭解到原子內電子的能量和光能一樣，只能是特定值，更重要的是，電子只有在特定能量下才能從一個原子軌道“跳躍”到另一個原子軌道，並同時釋放或吸收一個光子，這就是著名的“量子躍遷”。

而到了1925年，維爾納·海森堡終於為這個新理論列出了方程，從而取代了整個牛頓力學。不過海森堡所依據的理念是非常讓人暈頭轉向的。

維爾納·海森堡

海森堡說，電子並非一直存在，只有在人看到它們時，或者更確切地說，只有和其他東西相作用的時候，它們才會存在。當它們與其他東西相撞時，就會以一個可以計算的概率在某個地方出現。從一個軌道到另一個軌道的“量子躍遷”是它們現身的唯一方式：一個電子就是相互作用下的一連串跳躍，如果沒有受到打擾，電子就沒有固定的棲身之所，它甚至不會存在於一個所謂的“地方”。

在海森伯等人建立了量子矩陣力學的同時，同是的諸位物理學大神不斷為量子理論添磚加瓦，德布羅意提出“物質波”概念，即一切物質粒子均具備波粒二象性，薛定諤建立了量子波動力學。直到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，對量子力學理論進行了系統的總結，並將兩大理論體系——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。

直到今天，一個多世紀過去了，量子力學的方程以及用他們得出的結果每天都被應用在物理、工程、化學、生物乃至更廣闊的領域中。量子力學對於當代科學的整體發展有著至關重要的意義。沒有量子力學基礎，就不會製造出激光器，就不會有處理器、存儲器，也不會有納米材料、超導材料等等新型材料，可以說沒有量子力學，就不會有今天的信息時代。

但我們也還停留在原點，量子力學的方程對我們依然十分神秘，因為它並不描述一個物理系統內發生了什麼，而只說明一個物理系統是如何影響另外一個物理系統的。這是否意味著系統的真是存在是無法被描述的？是否意味著我們還缺少一塊拼圖？或者，是否意味著我們要接受“所謂的真實是相互作用造成的”？

但有一點可以確認，目前沒有任何生命現象被確認存在量子效應。一些生命現象被猜測可能存在量子效應，但那只是一部分人的假說，從未被證實。宗教、迷信樂意拿量子概念為靈魂、心靈感應拼湊存在的理由；神棍、保健品騙子樂意用量子去“解釋”生命現象，並製造出價格不菲的“量子保健”器材。這些都是騙人的，因為它們統統與量子無關。

吳克思

量子概念是什麼

一桶水，如果每天倒掉一半，那麼能倒幾天？當然不是一兩天，但也不是無限。因為到最後，桶裡只有2顆水分子時，你倒掉1顆分子，只剩下1顆分子，然後遊戲結束了。

這就是宏觀的經驗，在微觀出現的偏差。當我們探究到微觀小尺度時，可能連續的物理量變成了不連續的物理量了。

最早是德國普朗克發現的量子，他發現，在微觀，電子的能量多少隻能是一份一份的，不是連續的，與我們在宏觀上觀察物體能量的感覺不一樣。

現在我們知道很多東西都有最小單位，比如光子。無論光源照度如何弱，但到最後也只能是一個光子，一個光子的，不能再弱了。比如時子，時間可以無限分割嗎？也不行，最小的時間單位就是一個時子，大概是10^-43秒。

平時說的量子

量子概念來源是一些宏觀好像連續，在微觀時卻有最小不可分割的物理量。但是平時我們說的量子，並不是這種東西，或者說不是以它們為主。而是量子尺度下的粒子。比如電子，質子，光子，以及其他怪名字的粒子。因為這些東西都開始表現出量子特性。

就像用剷車堆豆子，和螞蟻去搬運豆子，做法是不同的。對於剷車來說，豆子是流動的散物料，而對於螞蟻來說，豆子是一顆顆具體的塊狀物。當我們開始要用螞蟻的眼光來對待豆子時，豆子就是量子了。

所以平時學術上說的量子，就是這些粒子，當我們要研究微觀粒子相互之間的事情時，這些粒子就是量子。

量子力學

量子力學是研究量子世界的相互作用的規律。對於普通人來說，我們要知道它有一些基本概念。

測不準原理：

認為，微觀粒子無法同時知道它的位置和動量（也可以說是速度）。

這是因為我們觀察世界的手段，主要是依靠光。比如看螞蟻看不清可以用放大鏡，但其實是光線打到螞蟻身上，然後反射到我們的眼睛裡。根據眼睛看到的信號，我們知道了螞蟻的形狀。這裡有個前提，就是光的波長相對螞蟻來說很小。

一般光的波長與要與我們看的細節相匹配，如果波長是1mm，那麼只能看到2mm的細節。如果是10mm的波長，只能看到20mm的細節。我們平時的可見光，波長約380~780nm（納米），所以無論顯微鏡如何先進，也只能看到1000nm，也就是1μm（微米

所以用光學顯微鏡是無法看清細菌的，否則就是一些點點，需要改電子顯微鏡，或者改用波長很短的X光，然後才能看到細菌的形狀。但是更小的結構，也許連合適的光都找不到了。人類第一次得知DNA的雙螺旋結構，用的是X射線的衍射，是用這種衍射圖像來猜測DNA是什麼樣的結構。

那麼質子中子大小有多少呢？直徑（1.6~1.7）×10−15 m，即1.6個百萬分之一納米。所以用顯微鏡的思想是根本不可能知道質子的形狀的。現在我們書本上的中子、質子、電子形象都是一個個小圓球，其實一定是圓的嗎？鬼知道。

質子有多大，是用粒子對撞中，根據飛濺的粒子軌跡推算它的大小。但是這種方法有個問題，就是你一撞那個粒子就跑了。在量子世界裡，光子也是有質量的。所以，我們無法知道觀察的這顆質子具體位置和速度。

量子態，疊加態，和塌縮：

既然無法觀察量子，包括它的形狀，位置，速度，等等，那麼只能猜測它都有哪種可能性，然後再排除錯誤的。把這些量子的剩餘狀態都列出來後，這個量子的穩定結果就是這些狀態的集合，即量子態。

有個著名的薛定諤貓說明了量子態：

設想在一個封閉的盒子裡面，放著一隻貓。在箱子的一角有一個裝有毒氣的瓶子，瓶子是封閉的。另外，還有一個放射性原子核與瓶子連接起來，毒氣瓶的封口會被放射性原子核衰變發出的粒子給打破，放出毒氣，殺死貓。在一定的時間範圍內，放射性物質發生衰變放出粒子的概率是一定的。比方說，在1個小時內，放射性原子核將有50%的概率發生衰變，有50%的概率不發生衰變。那麼在我們打開箱子觀看貓的死活之前，我們是不知道其是生是死的。我們可以說，貓處於既是生、又是死的量子疊加態。一旦我們觀察了貓，它就會塌縮到“生”或者“死”之中的某個狀態。

量子疊加態的概念在微觀的量子世界是很具備說服力的，是解釋諸多實驗現象必不可少的理論。在物理理論的文章裡，方程公式需要用疊加態來描述。

微觀世界只適用量子物理規律，而宏觀世界適用經典物理規律。但是量子與經典的界限在哪裡？今天物理學家找到了即有相對論又有量子力學的領域，就是宇宙大爆炸的奇點，尺寸足夠小，而力量和速度又足夠大。另一個可以結合的位置是黑洞，霍金提出的黑洞輻射理論，可以看做是相對論和量子力學共同產物。

量子糾纏：

量子世界有個奇特的現象，就是量子糾纏。兩個量子可能會發生糾纏，比如一個自旋為正，另一個為負，當一個量子改變狀態，由正變負，另一個量子馬上也改變，由負變正。這兩個量子之間好像有通訊，步調一致，而且這個變化與距離無關，好像它們之間的通訊不需要時間。

量子概念的偉大，除了它問世帶來的觀念震驚，還有就是量子力學帶來的規律，給我們指示出來的世界面貌。量子力學也象相對論一樣，改變了看世界的眼光，和提供了研究問題的武器：一切都是可能的，只是發生概率不同。

當下的媒體關注的量子概念

量子概念誕生已經有100年了，現在量子理論開始有實際的領域可以應用了：計算機，通訊。

量子計算機，利用量子的疊加態來計算。量子計算機可以做很多當前計算機比較困難的題目，比如密碼破解。

我們今天的計算機，是應大量的數值運算的需要下誕生的，它很能算乘法。但是，今天計算機普及，主要的工作很少是加減乘除的精確計算，而是查找-複製-傳輸-比較。這些工作用當下的馮諾依曼的計算機效率很低。如果改用量子計算機，這類工作幾乎是一步就完成了，它困難的反而是大量的加減乘除精確計算。

現在做量子量子芯片研發的國家有幾個，中國也是其中一個，但美國領先。不過量子計算還有很多大問題還沒解決，要到實用還早，快10年內，慢50年以上也可能。

量子通訊，利用量子糾纏來做信息傳遞。目前主要是量子密鑰技術，這個領域是中國領先，有名的就是潘建偉院士了。完全的量子通訊，現在可能還沒影。

海螺008

量子，描述微觀粒子運動出現的不連續和某種表現上的不確定性建立起來的數學模型。量子不是某種微觀或者宏觀的粒子！說白了，是一種描述現象的方程。比如當人們開始注意到某些物體能夠傳導熱，那麼熱是什麼？為什麼有的物體可以傳導，而有的不能傳導？於是提出熱是一種物質，叫做熱質。物體能傳導熱是因為這個物體能夠容納熱這種物質。同時根據這個理論，建立了熱質方程。描述為：熱質在兩個物體間傳導遵循熱質守恆，熱質不會多，也不會少。某些物體在特殊情況下會釋放熱質，比如火。這個理論完美的解決了熱的所有問題！最後有人提出一個疑問，既然熱是一種物質，那麼就有質量。也就是說當一個物體受熱以後，質量應該增加，反之也減少。這是一個無法解釋的問題。最後明白了，熱不是物質，是能量。表現為物體構成分子的活躍度。於是熱質方程變成了熱能方程。說的優點多了，迴歸到量子，這個理論系統目前能夠解決一些微觀粒子的運動現象，但絕不是很完美的解釋了所有問題。那麼，量子以及量子力學多大程度上是對的呢？

山野樵夫32

蒙就對了，因為量子裡的很多概念都是之前沒有的，其中最基本的波函數，就是經典物理裡沒有的一個概念，以此為基礎，對波函數進行算符運算，才能聯繫到經典物理中的物理量，並且都是以概率的形式出現的物理量，之所以會產生這種概率為描述的方法，是因為在量子層面，極易表現出時間的迴流，因此出現了很多空間的斷點，當時間再次回溯的時候，粒子就會在某個空間再次出現，然後你就會看到鬼魅般的量子現象。

布爾巴基

量子研究科學家都還模稜兩可 更何況咱們普通人了，當然隨著外國量子研究的發展，科學會慢慢認識到非物質的科學文化，一點點進行探索人類的終極存在意義，到時會發現中國文化博大精深，*************

O人間大道至簡O

能量=水＝電＝風＝土＝火＝量子＝萬物

關鍵字: 量子 電影 科學