匡天

有些词语如果不是登上了头条的话，我们大概总也想不起来，比如说“量子”。最近一次我注意到这个词语还是在《蚁人2》这部电影中，什么“量子世界”、“量子能量”、“量子隧道”随处可见的“量子”将整部电影的逼格提升了至少一个“量子”的台阶。不过“量子”究竟指的是什么呢？就像我们知道的很多概念一样，隐约知道它的意思，但想要详细的解释却无从开口。

关于量子

在网络上可以看到很多话题，有问“量子到底存在吗？”有问“量子是什么啊？”还有讨论“量子针灸”的，有用“量子力学”套宗教和心灵感应的，还有用“量子力学”解释灵魂和自由意志等“形而上学”的。（关于形而上学的解释可以参见我的上一篇文章https://www.toutiao.com/i6632828507669922307/）

那量子究竟是什么呢？

有人说“我知道分子、原子，想必量子也是这么一个类似的东西吧，你看隔壁的王大妈拿着量子茶杯喝着量子水，家里的保健器械很多也带着“量子”标志。”隔壁王大妈进入了“量子世界”怎么挣脱出来是王大妈儿女的事，不过可以肯定的是不会比初代“黄蜂女”从“量子世界”逃脱要难。重点是我们怎么摆脱这个“量子陷阱”，本来就挣得不多还要给“量子”买单，太亏了。

所以为了防止我们落入“量子陷阱”，让我们了解一下“量子”，以及20世纪物理学两大支柱之一的“量子力学”。

量子一词来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。这是量子一词本来的意思。

而在物理学中的定义则是：一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。指一个不可分割的基本个体。例如，“光的量子”（光子）是一定频率的光的基本能量单位。而量子力学是则研究微观粒子运动规律的学科，是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的结构和性质的基本理论。

量子与量子力学似乎是最近这几年突然火起来的，先是《生活大爆炸》中几位物理学家为大家科普了一下量子力学的知识，紧接着中国的量子卫星发射上天，然后量子计算机的消息又被炒得火热。一直在物理学家圈子的话题也成为了普通人讨论的对象，这让人不经有一种错觉，仿佛量子力学刚刚被发现一样。

但是注意，我说过“量子力学”是20世纪物理学两大支柱之一（另一个是广义相对论），因为量子力学正好诞生于1900年，真是巧合啊，在人类迈入新世纪的第一年。

在1900年，普朗克计算一个“热匣子”内处于平衡态的电磁场。为此他用了一个巧妙的方法：假设电磁场能量都分布在一个个的“量子”上，也就是说能量是一包一包或一块一块的。用这个方法计算出的结果与测量得到的数据完全吻合（可见在一百多年前，普朗克就回答了量子是存在的问题）。

普朗克大神发际线感人

但是普朗克得到的结果与当时人们的认知完全不一样，人们认为能量是连续变动的。同样对于普朗克来说，把能量视为一个个能量包块的集合只是计算上使用的一个特殊策略，他自己也不知道为什么这个办法就会奏效（划重点），真正确认这些“能量包”存在的是爱因斯坦（现在知道爱因斯坦地位为什么这么高了吧，20世纪两大物理学支柱，广义相对论是由爱因斯坦凭借一己之力思考、孕育出来的，而在量子力学领域，爱因斯坦也起到了至关重要的的作用）。

这个人就不介绍了

他在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》这篇论文中是这么说的“确实现在在我看来，关于黑体辐射，光致发光、紫外光产生阴极射线，以及其他一些有关光的产生和转化的现象的观察，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假说来解释．似乎就更好理解。按照这里所设想的假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来。

这是量子理论诞生的真正宣言，如果说普朗克是量子理论之父的话，那爱因斯坦就是让这项理论茁壮成长的养育者，也是凭借这项研究爱因斯坦获得了诺贝尔奖，但有意思的是爱因斯坦抛弃了他“养育”的理论，之后的发现是如此“荒谬”，以至于他一有机会就抱怨，说这实在太不合理了。

丹尼斯·玻尔

在爱因斯坦之后，也就是20世纪10—20年代，丹尼斯·玻尔（他是爱因斯坦最强劲的对手）继续引领这一理论的发展。玻尔了解到原子内电子的能量和光能一样，只能是特定值，更重要的是，电子只有在特定能量下才能从一个原子轨道“跳跃”到另一个原子轨道，并同时释放或吸收一个光子，这就是著名的“量子跃迁”。

而到了1925年，维尔纳·海森堡终于为这个新理论列出了方程，从而取代了整个牛顿力学。不过海森堡所依据的理念是非常让人晕头转向的。

维尔纳·海森堡

海森堡说，电子并非一直存在，只有在人看到它们时，或者更确切地说，只有和其他东西相作用的时候，它们才会存在。当它们与其他东西相撞时，就会以一个可以计算的概率在某个地方出现。从一个轨道到另一个轨道的“量子跃迁”是它们现身的唯一方式：一个电子就是相互作用下的一连串跳跃，如果没有受到打扰，电子就没有固定的栖身之所，它甚至不会存在于一个所谓的“地方”。

在海森伯等人建立了量子矩阵力学的同时，同是的诸位物理学大神不断为量子理论添砖加瓦，德布罗意提出“物质波”概念，即一切物质粒子均具备波粒二象性，薛定谔建立了量子波动力学。直到1928年，英国物理学家狄拉克完成了矩阵力学和波动力学之间的数学等价证明，对量子力学理论进行了系统的总结，并将两大理论体系——相对论和量子力学成功地结合起来，揭开了量子场论的序幕。

直到今天，一个多世纪过去了，量子力学的方程以及用他们得出的结果每天都被应用在物理、工程、化学、生物乃至更广阔的领域中。量子力学对于当代科学的整体发展有着至关重要的意义。没有量子力学基础，就不会制造出激光器，就不会有处理器、存储器，也不会有纳米材料、超导材料等等新型材料，可以说没有量子力学，就不会有今天的信息时代。

但我们也还停留在原点，量子力学的方程对我们依然十分神秘，因为它并不描述一个物理系统内发生了什么，而只说明一个物理系统是如何影响另外一个物理系统的。这是否意味着系统的真是存在是无法被描述的？是否意味着我们还缺少一块拼图？或者，是否意味着我们要接受“所谓的真实是相互作用造成的”？

但有一点可以确认，目前没有任何生命现象被确认存在量子效应。一些生命现象被猜测可能存在量子效应，但那只是一部分人的假说，从未被证实。宗教、迷信乐意拿量子概念为灵魂、心灵感应拼凑存在的理由；神棍、保健品骗子乐意用量子去“解释”生命现象，并制造出价格不菲的“量子保健”器材。这些都是骗人的，因为它们统统与量子无关。

吴克思

量子概念是什么

一桶水，如果每天倒掉一半，那么能倒几天？当然不是一两天，但也不是无限。因为到最后，桶里只有2颗水分子时，你倒掉1颗分子，只剩下1颗分子，然后游戏结束了。

这就是宏观的经验，在微观出现的偏差。当我们探究到微观小尺度时，可能连续的物理量变成了不连续的物理量了。

最早是德国普朗克发现的量子，他发现，在微观，电子的能量多少只能是一份一份的，不是连续的，与我们在宏观上观察物体能量的感觉不一样。

现在我们知道很多东西都有最小单位，比如光子。无论光源照度如何弱，但到最后也只能是一个光子，一个光子的，不能再弱了。比如时子，时间可以无限分割吗？也不行，最小的时间单位就是一个时子，大概是10^-43秒。

平时说的量子

量子概念来源是一些宏观好像连续，在微观时却有最小不可分割的物理量。但是平时我们说的量子，并不是这种东西，或者说不是以它们为主。而是量子尺度下的粒子。比如电子，质子，光子，以及其他怪名字的粒子。因为这些东西都开始表现出量子特性。

就像用铲车堆豆子，和蚂蚁去搬运豆子，做法是不同的。对于铲车来说，豆子是流动的散物料，而对于蚂蚁来说，豆子是一颗颗具体的块状物。当我们开始要用蚂蚁的眼光来对待豆子时，豆子就是量子了。

所以平时学术上说的量子，就是这些粒子，当我们要研究微观粒子相互之间的事情时，这些粒子就是量子。

量子力学

量子力学是研究量子世界的相互作用的规律。对于普通人来说，我们要知道它有一些基本概念。

测不准原理：

认为，微观粒子无法同时知道它的位置和动量（也可以说是速度）。

这是因为我们观察世界的手段，主要是依靠光。比如看蚂蚁看不清可以用放大镜，但其实是光线打到蚂蚁身上，然后反射到我们的眼睛里。根据眼睛看到的信号，我们知道了蚂蚁的形状。这里有个前提，就是光的波长相对蚂蚁来说很小。

一般光的波长与要与我们看的细节相匹配，如果波长是1mm，那么只能看到2mm的细节。如果是10mm的波长，只能看到20mm的细节。我们平时的可见光，波长约380~780nm（纳米），所以无论显微镜如何先进，也只能看到1000nm，也就是1μm（微米

所以用光学显微镜是无法看清细菌的，否则就是一些点点，需要改电子显微镜，或者改用波长很短的X光，然后才能看到细菌的形状。但是更小的结构，也许连合适的光都找不到了。人类第一次得知DNA的双螺旋结构，用的是X射线的衍射，是用这种衍射图像来猜测DNA是什么样的结构。

那么质子中子大小有多少呢？直径（1.6~1.7）×10−15 m，即1.6个百万分之一纳米。所以用显微镜的思想是根本不可能知道质子的形状的。现在我们书本上的中子、质子、电子形象都是一个个小圆球，其实一定是圆的吗？鬼知道。

质子有多大，是用粒子对撞中，根据飞溅的粒子轨迹推算它的大小。但是这种方法有个问题，就是你一撞那个粒子就跑了。在量子世界里，光子也是有质量的。所以，我们无法知道观察的这颗质子具体位置和速度。

量子态，叠加态，和塌缩：

既然无法观察量子，包括它的形状，位置，速度，等等，那么只能猜测它都有哪种可能性，然后再排除错误的。把这些量子的剩余状态都列出来后，这个量子的稳定结果就是这些状态的集合，即量子态。

有个著名的薛定谔猫说明了量子态：

设想在一个封闭的盒子里面，放着一只猫。在箱子的一角有一个装有毒气的瓶子，瓶子是封闭的。另外，还有一个放射性原子核与瓶子连接起来，毒气瓶的封口会被放射性原子核衰变发出的粒子给打破，放出毒气，杀死猫。在一定的时间范围内，放射性物质发生衰变放出粒子的概率是一定的。比方说，在1个小时内，放射性原子核将有50%的概率发生衰变，有50%的概率不发生衰变。那么在我们打开箱子观看猫的死活之前，我们是不知道其是生是死的。我们可以说，猫处于既是生、又是死的量子叠加态。一旦我们观察了猫，它就会塌缩到“生”或者“死”之中的某个状态。

量子叠加态的概念在微观的量子世界是很具备说服力的，是解释诸多实验现象必不可少的理论。在物理理论的文章里，方程公式需要用叠加态来描述。

微观世界只适用量子物理规律，而宏观世界适用经典物理规律。但是量子与经典的界限在哪里？今天物理学家找到了即有相对论又有量子力学的领域，就是宇宙大爆炸的奇点，尺寸足够小，而力量和速度又足够大。另一个可以结合的位置是黑洞，霍金提出的黑洞辐射理论，可以看做是相对论和量子力学共同产物。

量子纠缠：

量子世界有个奇特的现象，就是量子纠缠。两个量子可能会发生纠缠，比如一个自旋为正，另一个为负，当一个量子改变状态，由正变负，另一个量子马上也改变，由负变正。这两个量子之间好像有通讯，步调一致，而且这个变化与距离无关，好像它们之间的通讯不需要时间。

量子概念的伟大，除了它问世带来的观念震惊，还有就是量子力学带来的规律，给我们指示出来的世界面貌。量子力学也象相对论一样，改变了看世界的眼光，和提供了研究问题的武器：一切都是可能的，只是发生概率不同。

当下的媒体关注的量子概念

量子概念诞生已经有100年了，现在量子理论开始有实际的领域可以应用了：计算机，通讯。

量子计算机，利用量子的叠加态来计算。量子计算机可以做很多当前计算机比较困难的题目，比如密码破解。

我们今天的计算机，是应大量的数值运算的需要下诞生的，它很能算乘法。但是，今天计算机普及，主要的工作很少是加减乘除的精确计算，而是查找-复制-传输-比较。这些工作用当下的冯诺依曼的计算机效率很低。如果改用量子计算机，这类工作几乎是一步就完成了，它困难的反而是大量的加减乘除精确计算。

现在做量子量子芯片研发的国家有几个，中国也是其中一个，但美国领先。不过量子计算还有很多大问题还没解决，要到实用还早，快10年内，慢50年以上也可能。

量子通讯，利用量子纠缠来做信息传递。目前主要是量子密钥技术，这个领域是中国领先，有名的就是潘建伟院士了。完全的量子通讯，现在可能还没影。

海螺008

量子，描述微观粒子运动出现的不连续和某种表现上的不确定性建立起来的数学模型。量子不是某种微观或者宏观的粒子！说白了，是一种描述现象的方程。比如当人们开始注意到某些物体能够传导热，那么热是什么？为什么有的物体可以传导，而有的不能传导？于是提出热是一种物质，叫做热质。物体能传导热是因为这个物体能够容纳热这种物质。同时根据这个理论，建立了热质方程。描述为：热质在两个物体间传导遵循热质守恒，热质不会多，也不会少。某些物体在特殊情况下会释放热质，比如火。这个理论完美的解决了热的所有问题！最后有人提出一个疑问，既然热是一种物质，那么就有质量。也就是说当一个物体受热以后，质量应该增加，反之也减少。这是一个无法解释的问题。最后明白了，热不是物质，是能量。表现为物体构成分子的活跃度。于是热质方程变成了热能方程。说的优点多了，回归到量子，这个理论系统目前能够解决一些微观粒子的运动现象，但绝不是很完美的解释了所有问题。那么，量子以及量子力学多大程度上是对的呢？

山野樵夫32

蒙就对了，因为量子里的很多概念都是之前没有的，其中最基本的波函数，就是经典物理里没有的一个概念，以此为基础，对波函数进行算符运算，才能联系到经典物理中的物理量，并且都是以概率的形式出现的物理量，之所以会产生这种概率为描述的方法，是因为在量子层面，极易表现出时间的回流，因此出现了很多空间的断点，当时间再次回溯的时候，粒子就会在某个空间再次出现，然后你就会看到鬼魅般的量子现象。

布尔巴基

量子研究科学家都还模棱两可 更何况咱们普通人了，当然随着外国量子研究的发展，科学会慢慢认识到非物质的科学文化，一点点进行探索人类的终极存在意义，到时会发现中国文化博大精深，*************

O人间大道至简O

能量=水＝电＝风＝土＝火＝量子＝万物

關鍵字: 量子 电影 科学