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作為一個(gè)普通人,“量子”到底是什么?


簡(jiǎn)單的說(shuō):量子就是構(gòu)成我們這個(gè)世界的最小量。所以說(shuō)這個(gè)世界的物質(zhì)和能量是不可以無(wú)限分割的。

量子物理學(xué)的開創(chuàng)者是普朗克,他在研究黑體輻射時(shí)發(fā)現(xiàn),如果能量是一份一份的輻射出來(lái)的話,就能很好的解決使用經(jīng)典物理學(xué)的計(jì)算誤差。


普朗克

對(duì)于一定頻率ν的輻射,物體只能以hν為能量單位吸收或發(fā)射它,h稱之為普朗克常數(shù)。換言之,物體吸收或發(fā)射電磁輻射,只能以量子的方式進(jìn)行,每個(gè)量子的能量為E=hν,稱為作用量子。從經(jīng)典力學(xué)來(lái)看,能量不連續(xù)的概念是絕對(duì)不允許的。

普朗克這個(gè)名字命名了很多與量子有關(guān)的數(shù)據(jù):

普朗克尺度----最小的長(zhǎng)度,其值約為1.6x10的-35次方米,比這個(gè)再小的長(zhǎng)度在物理學(xué)里是無(wú)意義的。大約為一個(gè)質(zhì)子的1/10。

普朗克時(shí)間----最短的時(shí)間,其值約為10^-43s秒,比這個(gè)再短的時(shí)間在物理學(xué)里無(wú)意義。這也是宇宙大爆炸的第一個(gè)時(shí)刻。

普朗克溫度-----熱力學(xué)的最高溫度。約為10^32K。這是宇宙大爆炸的第一個(gè)時(shí)間間隔(普朗克時(shí)間)的溫度。高于這個(gè)溫度無(wú)意義。

量子世界的物理規(guī)律是反人類直覺的。

量子疊加態(tài):可以同時(shí)為1和0,直到對(duì)它進(jìn)行測(cè)量為止。

量子糾纏態(tài):一對(duì)糾纏中的量子,在無(wú)限遠(yuǎn)的距離里,如果對(duì)其中一個(gè)量子進(jìn)行了測(cè)量為1,另一個(gè)量子態(tài)立即就會(huì)成為0,不需要任何傳遞時(shí)間。需要強(qiáng)調(diào)的是,但這并不違法相對(duì)論。

海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理:粒子的位置與動(dòng)量不可同時(shí)被確定,一個(gè)微觀粒子的某些物理量,不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值,其中一個(gè)量越確定,另一個(gè)量的不確定程度就越大。類似的不確定性關(guān)系式也存在于能量和時(shí)間、角動(dòng)量和角度等物理量之間。

量子力學(xué)里最好玩的就是薛定諤的貓這個(gè)思想實(shí)驗(yàn):


在一個(gè)盒子里關(guān)著一只貓,用一個(gè)放射性原子作為開關(guān),這個(gè)原子半衰期為1個(gè)小時(shí)(1個(gè)小時(shí)內(nèi),原子衰變的幾率為百分之五十),如果衰變了就會(huì)打開開關(guān)放出毒氣,就會(huì)毒死貓,當(dāng)然,如果不衰變貓就活著。

貓的死活決定在放射性原子是否衰變上,但是不觀察放射性原子就不知道原子的狀態(tài)(疊加原理),原子同時(shí)處于1(衰變)和0(不衰變)的狀態(tài)。貓難道同時(shí)處于死和不死的狀態(tài)?難道看一眼(觀測(cè))就能決定貓的生死?

這是薛定諤對(duì)量子力學(xué)的質(zhì)疑。但量子的疊加態(tài)確實(shí)存在,而且狀態(tài)由觀測(cè)決定。我國(guó)的量子加密通訊就是利用了這一原理進(jìn)行的。



對(duì)于普通人來(lái)說(shuō),量子力學(xué)、還有波粒二象性測(cè)不準(zhǔn)原理等等等等,無(wú)論怎么講,都不可能講明白,或者說(shuō),無(wú)論教授講得有多么好,作為普通人的聽者一定仍然是一頭霧水,不知所云。

那么,我們這里試著換一種方式來(lái)理解量子力學(xué),看看能不能得到新的啟發(fā),哪怕能夠加深一點(diǎn)點(diǎn)對(duì)量子力學(xué)的認(rèn)識(shí),也不枉冒天下之大不韙,也歡迎大家批判。

首先,什么是量子。先從人說(shuō)起。人,這個(gè)世界上存在半個(gè)人嗎?沒有。一個(gè)人,是人的基本單位,換做其它任何生命體,比如細(xì)菌、比如哪怕病毒,它們都具有一個(gè)最小的不可再分的基本單元,在生物界,我們把它們稱作個(gè)體。這些個(gè)體,具有一個(gè)共同的基本性質(zhì),就是不可再分割性。如此,則可以說(shuō)一個(gè)人,就是人類社會(huì)的(基本)量子。

二,測(cè)不準(zhǔn)原理。夏天熱,冬天冷,這是經(jīng)典傳統(tǒng)的看法,絕對(duì)沒有錯(cuò)。但是,某一個(gè)具體的夏日,比如,6月20日的氣溫,能預(yù)報(bào)準(zhǔn)確嗎?不能。但是,六月就不可能下雪嗎?歷史上有竇娥的六月雪,現(xiàn)今也常見不小的冰雹和偶爾出現(xiàn)的罕見的低溫,反過(guò)來(lái),冬天也可能出現(xiàn)超常的暖熱天氣,這些都是以概率大小表現(xiàn)的自然現(xiàn)象,沒有可能得到確定性的結(jié)果?!盁粝潞凇痹?,可以作為人類認(rèn)識(shí)能力和實(shí)踐能力局限性的一個(gè)基本法則。人類的測(cè)量行為,終極指向是精確度,一般情況下,是精度越高越好。但是高精度是有條件的,那就是測(cè)量工具的極限。當(dāng)測(cè)量行為在測(cè)量工具的極限情景下進(jìn)行時(shí),針尖和麥芒,孰主?孰客?誰(shuí)是測(cè)量工具?誰(shuí)又是測(cè)量對(duì)象呢?到了可見光波長(zhǎng)的尺度下,到了X光波長(zhǎng)的尺度下,這個(gè)問(wèn)題就出來(lái)了。

三,波粒二象性。宏觀事物往往是矛盾的統(tǒng)一體,或者是對(duì)立事物的集合體。如某小說(shuō)的題目《一半是海水一半是火焰》,如某小說(shuō)《男人的一半是女人》。微觀粒子的行為也作如是表現(xiàn)。(以我們的時(shí)間觀所理解的)某一確定時(shí)刻,一個(gè)粒子,既可以在左邊,也可以在右邊,甚至可以認(rèn)為這個(gè)粒子的位置就是一半在左邊一半在右邊!微觀粒子的波粒二象性與測(cè)不準(zhǔn)原理是同一問(wèn)題的兩個(gè)答案,粒子的波動(dòng)性表現(xiàn)為空間分布的概率(幾率)波動(dòng)。

四,薛定諤的貓=《道德經(jīng)》的魚=王陽(yáng)明的花?!澳阄纯创嘶〞r(shí),此花與汝同歸于寂;你來(lái)看此花時(shí),則此花顏色一時(shí)明白起來(lái)”,這是王陽(yáng)明的名言,似乎是表達(dá)存在的事物與人的主觀感知之間的關(guān)系,沒有感知就沒有存在的意思,但它也確實(shí)是一種測(cè)量行為,最簡(jiǎn)單的那種“有還是沒有”而不是“到底有多大有多少”的測(cè)量行為,這種行為導(dǎo)致了對(duì)事物存在的判定。老子的魚是不可“脫于淵”的,正如老子的“國(guó)之利器不可以示人”。薛定諤的貓與老子的魚,共同點(diǎn)在于,對(duì)立的二者是相互依存互為條件的,而不是因果關(guān)系。其實(shí),以上這幾條,早已被都被普羅大眾言中了——梨子甜不甜,嘗了才知道!

最后必須強(qiáng)調(diào),神秘感,是大部分普通人對(duì)量子力學(xué)的抱有的感覺,但是,經(jīng)典的牛頓力學(xué),卻一直得到大眾的理解,并深入人心地影響了人們的世界觀和價(jià)值觀。這是為什么呢?顯然,牛頓力學(xué)涉及的世界,是我們普羅大眾看得見摸得著的宏觀實(shí)體世界,理解的難度不會(huì)太大;可就量子力學(xué)而言,這里面可是有著幾乎不可言說(shuō)的“秘密”,那就是,在近百年來(lái)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)而沒有證偽的同時(shí),幾乎所有的物理學(xué)家,至今仍然對(duì)量子力學(xué)的基礎(chǔ),感到難以啟齒的柔弱。


“量子”這個(gè)概念已經(jīng)越來(lái)越多的出現(xiàn)在我們的生活中。你聽到過(guò)“墨子”號(hào)量子科學(xué)衛(wèi)星上天,也時(shí)不時(shí)會(huì)見到媒體報(bào)道量子計(jì)算機(jī)又有了新的突破。除了這些,一些賣保健品的家伙為了讓自己的產(chǎn)品聽起來(lái)嚇人,動(dòng)不動(dòng)也會(huì)貼上“量子”二字,比如量子茶杯、量子鞋墊、量子什么什么共振儀……若是你問(wèn)問(wèn)那些推銷保健品的“什么是量子?”他們的回答會(huì)暴露出他們對(duì)量子的一無(wú)所知。

除了保健品騙子樂(lè)意用“量子”為自己貼金,神棍也樂(lè)意拿“量子”粉飾自己。比如,臭名昭著的“量子佛學(xué)”,用一些量子概念為自己粉飾,騙取更多的信徒而已。

想知道什么是量子,千萬(wàn)不要聽宗教徒和賣保健品的。我曾見過(guò)一賣量子保健品的廣告,居然認(rèn)為量子是一種粒子,是比質(zhì)子、電子還小的粒子。這種連量子是什么都不知道的騙子,居然還能拿量子騙到那么多人,可見大多數(shù)普通人對(duì)“量子”是一無(wú)所知的。

郭光燦院士在批判網(wǎng)上流傳的量子隱身衣時(shí)曾提到怎么鑒別一個(gè)東西是不是量子的,方法是:看它有沒有用到量子的相干、有沒有用到量子的疊加,如果沒有就不能冠上“量子”標(biāo)簽。在這里我就圍繞著什么是疊加談一下量子。

量子的概念出現(xiàn)在1900年,德國(guó)物理學(xué)家普朗克在研究黑體輻射時(shí)發(fā)現(xiàn),只有認(rèn)為能量是不連續(xù)的,即一份一份的,才能將理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完美的結(jié)合起來(lái)。這里一份一份不連續(xù)的能量,就是能量的量子化。這個(gè)概念的提出在當(dāng)時(shí)是很大膽的,因?yàn)槿藗冇X得黑體輻射出的能量值只能是某個(gè)最小值的整數(shù)倍是不可思議的,連普朗克都對(duì)覺得這是孤注一擲。

1905年,愛因斯坦用量子概念成功的解釋了光電效應(yīng),量子概念開始被越來(lái)越多的人接受。普朗克、愛因斯坦也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在給出量子概念以前,有很多物理量是認(rèn)為可以連續(xù)變化的。比如1米的長(zhǎng)度,平分為2分后,還可以繼續(xù)平分下去,一直無(wú)限的平分下去。1焦耳的能量,也可以無(wú)線的平分下去。量子的概念給出后,人們才知道,物理量不是連續(xù)變化的,而是離散變化的。比如剛才說(shuō)的能量,黑體輻射出的能量是一份一份的;光子的能量是一份一份的;這時(shí)候就可以說(shuō)能量是量子化的。帶電體所帶的電荷量也是一份份的,都是一個(gè)最小值的整數(shù)倍,這就是帶電量也是量子化的。放眼到我們的生活中,也可以說(shuō)有“離散”變化,比如有3個(gè)人、4個(gè)人,但不能有3.5個(gè)人。從這里可見,量子并不是像質(zhì)子、中子、電子那樣的粒子。

什么又是疊加呢?一個(gè)比較有名的例子就是薛定諤的貓。

薛定諤的貓是這樣的,一個(gè)封閉的箱子里有一只貓,一瓶劇毒物,一只榔頭,榔頭受放射性物質(zhì)衰變的控制。如果放射性物質(zhì)衰變,榔頭會(huì)擊碎瓶子,這樣貓就死了。如果放射性物質(zhì)不衰變,榔頭就不動(dòng),瓶子完好,貓就是活的。這里,貓只有兩個(gè)狀態(tài):活態(tài)和死態(tài),到底是或還是死,只有打開箱子才能知道。打開箱子相當(dāng)于是測(cè)量,測(cè)量到的狀態(tài)只有兩種:要么活要么死,不可能測(cè)量到半死不活的貓。而用波函數(shù)描述貓的狀態(tài)時(shí),貓就是處于死態(tài)和活態(tài)的疊加態(tài),可以理解為百分之多少的狀態(tài)處于活態(tài)剩下百分之多少處于死態(tài),這就是疊加。

能理解好什么是量子以及什么是疊加,對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)就可以進(jìn)一步看量子方面的科普了。


是這樣的,量子只是區(qū)別于傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)宇宙的一種方式。經(jīng)典理論是把東西作為連續(xù)的東西處理的,比如水。連續(xù)的吧。我們要描述它的運(yùn)動(dòng)變化,作為一個(gè)整體弄就好了。但是呢,量子就是拿來(lái)作為一個(gè)一個(gè)的分子來(lái)處理。

也就是說(shuō),量子和經(jīng)典的區(qū)別就在于一個(gè)連續(xù),一個(gè)不連續(xù)。那么這樣做有啥不一樣呢?其實(shí),如果用量子理論來(lái)處理宏觀現(xiàn)象得到的結(jié)果和經(jīng)典理論是一樣的!只是太復(fù)雜,以至于根本無(wú)法操作!

量子理論一般都用于解決那些微觀的現(xiàn)象,那個(gè)時(shí)候,東西太小了,還把它看做整體就不行了。我們就用黃豆舉例吧。如果我們要研究一箱黃豆從一個(gè)管子中通過(guò)要多長(zhǎng)時(shí)間,那我們直接用黃豆的體積除了管子的截面和流速就行了,完全可以把黃豆看做水一樣的東西。但是如果我們想知道一把黃豆撒國(guó)際象棋棋盤上,有多少顆在黑色區(qū)域,有多少在白色區(qū)域,那就需要把它一顆一顆的研究。

其實(shí)量子理論就是基于現(xiàn)實(shí)世界有很多東西,它跟黃豆一樣,不停的分之后,小到一定程度就不能分了,這在微觀世界很重要,會(huì)有很多新奇的現(xiàn)象,如是而已。


感謝官方邀請(qǐng)。我通過(guò)借助網(wǎng)絡(luò)資料查詢來(lái)解釋量子到底是什么,希望能幫助到題主。

通俗地說(shuō),量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。


如下是網(wǎng)絡(luò)定義:一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個(gè)物理量是量子化的,并把最小單位稱為量子。量子英文名稱量子一詞來(lái)自拉丁語(yǔ)quantus,意為“有多少”,代表“相當(dāng)數(shù)量的某物質(zhì)”。在物理學(xué)中常用到量子的概念,指一個(gè)不可分割的基本個(gè)體。例如,“光的量子”(光子)是一定頻率的光的基本能量單位。而延伸出的量子力學(xué)、量子光學(xué)等成為不同的專業(yè)研究領(lǐng)域。其基本概念為所有的有形性質(zhì)是“可量子化的”?!傲孔踊敝钙湮锢砹康臄?shù)值是離散的,而不是連續(xù)地任意取值。例如,在原子中,電子的能量是可量子化的。這決定了原子的穩(wěn)定性和發(fā)射光譜等一般問(wèn)題。絕大多數(shù)物理學(xué)家將量子力學(xué)視為了解和描述自然的的基本理論。



普通人是指哪些人呢?有沒有學(xué)過(guò)高等數(shù)學(xué)?對(duì)經(jīng)典物理學(xué)、電磁學(xué)等學(xué)科的了解程度是怎樣的?對(duì)狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論有沒有一個(gè)大致概念?

如果以上答案基本為否,那恐怕你只能大概了解一下量子和量子力學(xué)是個(gè)什么東西。我查了一下,百度里對(duì)量子的解釋還是比較通俗化的,你可以看一下。不過(guò)問(wèn)題不在這里,你即使看懂每個(gè)字,卻還是不明白量子是什么,為什么我們要研究它。是么?

現(xiàn)代科學(xué)早就已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)高度細(xì)分的時(shí)代,真正是隔行如隔山。任何一門學(xué)科想真正入門都要經(jīng)過(guò)十年甚至幾十年的專業(yè)訓(xùn)練??梢赃@么說(shuō),一個(gè)頂級(jí)的計(jì)算機(jī)學(xué)家或植物學(xué)家,他對(duì)分子物理學(xué)的了解恐怕比普通人也好不了多少。以前那種“試用一句話來(lái)解釋XXX學(xué)”的年代已經(jīng)徹底過(guò)去了,而且即使是科普專家也越來(lái)越難把專業(yè)知識(shí)解釋給普通人聽了。

所以不必強(qiáng)求要了解量子力學(xué)這樣的學(xué)科到底研究的是什么,這對(duì)任何人都是困難的。普通人隨便百度一下,知道它大概是什么就可以了,專業(yè)的事情讓專業(yè)的人去做。


概念

德國(guó)物理學(xué)家M·普朗克在1900年提出量子概念,量子是指某物質(zhì)或物理量的最小單元??梢允菚r(shí)間、溫度、尺寸的最小單位。比如我們說(shuō)一個(gè)小時(shí)、一個(gè)蘋果,單位都是個(gè)。量子是最小單位不可再分割的單位,我們說(shuō)時(shí)間單位小時(shí)、分、秒,把時(shí)間分到最小的單位不能再小的級(jí)別單位就是量子。我們說(shuō)溫度、同樣可以分到最小到量子級(jí)別,變成不可分割的最小單位。一種物質(zhì)的最小單位、到最小的體積,就是量子。量子不是具體物質(zhì),是計(jì)量單位。

理論演進(jìn)

量子物理學(xué)是研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科,研究原子、分子以至原子核和基本粒子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的基本理論 。愛因斯坦把量子概念引進(jìn)光的傳播過(guò)程,提出“光量子”(光子)的概念。奧地利物理學(xué)家薛定諤建立了量子波動(dòng)力學(xué)。量子理論的發(fā)展進(jìn)入量子力學(xué)。


最經(jīng)典的例子是光子和電子,一個(gè)光子就是一個(gè)能量單位.當(dāng)有意識(shí)觀測(cè)量子的時(shí)候,同時(shí)存在于各個(gè)點(diǎn)上,釋放一個(gè)光子就降低一個(gè)能級(jí)而躍入低級(jí)軌道.


對(duì)于一個(gè)普通人,四季是一年的量子,新月上弦滿月下弦是一月的量子,十二時(shí)辰是一天的量子,對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)量子僅對(duì)應(yīng)于上一級(jí)周期而言,并以自然數(shù)表達(dá)(中國(guó)古人認(rèn)為量子以四相形式最穩(wěn)定),而一年是由不同層次的量子【疊加嵌套】(不是簡(jiǎn)單的累加)構(gòu)成。對(duì)于非普通人來(lái)說(shuō),非要去找出個(gè)一微微............秒,以為找到了所謂最基本的單位就可以一勞永逸的解決時(shí)間的問(wèn)題了。


量子力學(xué)是利用量子概率性質(zhì)開拓新技術(shù)用在結(jié)論是確定世界,量子忮術(shù)信息單元是量子態(tài)是概率性,微觀粒子有粒子性和波動(dòng)性,量子力學(xué)的論點(diǎn)是空間的一個(gè)粒子在空間分布的\局部區(qū)域都能找到,到處都有如同經(jīng)典物理的波,但是探測(cè)到粒子后別的空間粒下就沒有了,表現(xiàn)了粒子性,結(jié)論量子力學(xué)粒子性動(dòng)量、能量不可分割。


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