量子不是粒子

量子——科学界的顶流

近年来，“量子”（quantum）成了最热的科技术语之一。中国在量子领域取得了很多世界领先的成果，例如2016年，中国发射世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”；2017年，中国开通世界第一条量子保密通信骨干网“京沪干线”；2020年，中国科学技术大学潘建伟院士团队发布“九章”光量子计算机，后来又在2021年和2023年升级为“九章二号”和“九章三号”。

中国科学技术大学研发的量子计算机“九章”

然而在量子大热的同时，大多数人对它的理解是一团模糊。许多人听说过“薛定谔的猫”、多世界理论、量子纠缠、爱因斯坦与玻尔的争论（“上帝不掷骰子”）等，感觉玄而又玄，网上甚至出现了俗语：“遇事不决，量子力学；解释不通，穿越时空。”

图片源自网络

更糟糕的是，许多量子“科普”明明是伪科学，但却通过营造神秘感抓住了流量密码。例如经常有人说，量子力学让我们对世界的认识崩塌了；甚至还有人说，量子力学说明了存在鬼魂。曾经有一次，新华社请我给下属各个单位的科普负责人讲如何做科普，讲完后有一位听众提问：我们是不是应该向网上那些很有神秘主义风格的量子“科普”学习？我回答他：这些不是我们学习的对象，而是斗争的对象！

当然，量子是个不容易科普的领域，因为它的概念都比较抽象，跟日常生活离得很远。看到量子这个词，甚至都没法猜出这个领域是干什么的。相比之下，其他许多领域就好理解得多。例如新能源，即使不知道光伏、风电等的原理，单从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应、齐奥尔科夫斯基公式，也能明白这个领域要干的事情。

2016年9月，“墨子号”量子科学实验卫星在中国科学院新疆天文台南山观测站过境。本图为多张照片合成，绿色为卫星信标光，红色为地面望远镜与卫星之间的通信光。

对量子的正确理解

对“量子”最容易产生的想法是：我听说过电子、质子等粒子，那么量子也是一种粒子喽？然后很多人会问：它跟电子、质子相比是大是小？每当有人问我这个问题，我都会告诉他们，量子并不是一种粒子。

▌对量子的正确理解可以分为两层：

1️⃣“量子化”指的是不连续的变化，即离散变化

2️⃣ 有个物理学理论叫作量子力学，而量子科技则是指以量子力学为基础的科技。

如果某个东西只能不连续地变化，也就是说离散地、跳跃地、台阶式地变化，我们就说它是量子化的。如果一个东西是量子化的，我们就把它的最小单元称为量子。所以对量子的准确定义是：离散变化的最小单元。

这样的例子其实有很多。上台阶的时候，不可能上半个台阶，这就是量子化。上台阶时，1个台阶就是1个量子。又如统计人数，一个房间里有多少人？不可能出现半个人。统计人数时1个人就是1个量子。又如电影院的座位，你不可能坐在5.5号座，这时1个座位就是1个量子。有人可能会问，哈利·波特去霍格沃茨魔法学校为什么走的是“九又四分之三站台”？——这正说明它是虚构作品嘛！

电影中的“九又四分之三站台”

以上都是宏观世界的例子。在微观世界，量子化更加常见，它也正是微观世界的一大本质。

例如，氢原子中电子的能量是量子化的，只能取某些分立的值，不可能取到这些值的中间数值，这些分立的能量值叫作能级。具体而言，氢原子中电子的能级是-13.6电子伏特除以n的平方，其中n＝1, 2, 3,…，而电子伏特则是一个能量单位。这些能级并不是等间距的，但确实是量子化的。

由此就决定了，氢原子发出的光的能量只能取某些特定的值，因为它必然等于2个相邻能级的能量差。这就是原子光谱的来源，我们就是通过这个现象来分析遥远的恒星中存在哪些元素的。

原子光谱（图片源自网络）

又如，光是量子化的。一束光其实由很多个光子组成，最少也要有1个光子，否则就没有光了。一个重要的效应叫作光电效应，是指1个光子打在金属上就可以把金属中的1个电子打出去，把光信号转化成电信号。用手机拍照时，它用来感光的CMOS元件就是基于光电效应而设计的。

光电效应示意图（图片源自网络）

量子化是微观世界的本质现象，是人类历史上最伟大的发现之一。20世纪初，马克斯·普朗克（1858～1947）等科学家以此为基础建立了量子力学。现在，量子力学与相对论被称为物理学的两大支柱。

原标题：袁岚峰：量子不是粒子

来源：科学世界

编辑：余荫铠

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