量子是什么

文／神們自己 圖／圖蟲創(chuàng)意

今年10 月，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了三位研究“量子糾纏”的科學(xué)家。科技發(fā)達(dá)的今天，我們對(duì)量子這個(gè)詞并不陌生，但量子到底是什么呢？

先從一個(gè)簡(jiǎn)單的現(xiàn)象講起。假設(shè)手電筒打出一束光，如果你在近距離對(duì)著它看，會(huì)覺(jué)得刺眼。但如果你在離手電筒幾百米遠(yuǎn)的地方看，那就是一個(gè)很小的亮點(diǎn)。因?yàn)檫@束光會(huì)擴(kuò)散，距離越遠(yuǎn)，它擴(kuò)散得越大，人眼接收到的光就越少。那么假設(shè)你在火星上觀察這個(gè)手電筒，你會(huì)看到什么？此時(shí)，人的肉眼已經(jīng)看不到了，但可以用儀器來(lái)探測(cè)。在火星放一排探測(cè)器，按正常的邏輯，每個(gè)探測(cè)器都會(huì)接收到一點(diǎn)非常微弱的光。但實(shí)際上，這排探測(cè)器里可能只有一兩個(gè)能接收到光，剩下的什么都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。而且隨著距離越來(lái)越遠(yuǎn)，探測(cè)器接收到的光的強(qiáng)度會(huì)越來(lái)越低，不過(guò)低到一定程度后，這強(qiáng)度就不會(huì)再降低。

現(xiàn)實(shí)世界的光，存在一個(gè)不可再分的最小單元。而量子，就是微觀世界不可再分的最小單元。光的最小單位就是一個(gè)光子，這就是愛(ài)因斯坦獲得諾貝爾獎(jiǎng)的原因。沒(méi)錯(cuò)，愛(ài)因斯坦不是因?yàn)橄鄬?duì)論得獎(jiǎng)的，而是因?yàn)樗霉庾永碚撏昝赖亟忉屃斯怆娦?yīng)實(shí)驗(yàn)。

有同學(xué)問(wèn)我：原子是量子嗎？這很難用“是”或“否”來(lái)回答。與其說(shuō)量子是某種物質(zhì)，不如說(shuō)量子是所有物質(zhì)共有的一種屬性。就像我們說(shuō)“這件衣服是紅色的”，并不是在說(shuō)“衣服等于紅色”，而是在說(shuō)衣服具有“紅色”屬性。我們不能說(shuō)“原子等于量子”，因?yàn)樵硬⒎俏镔|(zhì)世界不可再分的最小單元，它可以分成原子核和電子，原子核內(nèi)部還有中子和質(zhì)子。但我們可以說(shuō)“原子具有量子的屬性”，因?yàn)殡娮永@原子核運(yùn)動(dòng)的軌道是量子化的。當(dāng)我們研究電子軌道時(shí)，就必須使用量子力學(xué)。

量子有一個(gè)神奇的特點(diǎn)：疊加態(tài)。我如果說(shuō)，我在上海，同時(shí)我也在北京，你肯定覺(jué)得我瘋了。在我們的日常經(jīng)驗(yàn)中，一個(gè)人的位置不能疊加。不過(guò)在微觀世界里，量子的速度、位置、能量都可以疊加。美國(guó)人夢(mèng)露（男）在1996 年用激光冷卻技術(shù)使單個(gè)鈹離子（約0.1 納米大小）同時(shí)處于相距80 納米之遙的兩個(gè)位置，并拍下了疊加態(tài)照片。

量子力學(xué)的研究已經(jīng)持續(xù)100 多年，今天的科技發(fā)展，已經(jīng)完全超越了人類的常識(shí)。就像過(guò)去發(fā)明互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)候，沒(méi)有人想到它會(huì)把世界變成這個(gè)樣子，現(xiàn)在的我們也無(wú)法預(yù)測(cè)，量子時(shí)代會(huì)是什么樣子。而這樣的一個(gè)量子新時(shí)代，正在加速到來(lái)。