量子力學(xué)是微觀物理學(xué)依賴的基本理論框架，自其提出一百多年來，在物理學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用的方方面面取得了一個(gè)又一個(gè)的成功。從九章量子計(jì)算機(jī)原型的發(fā)布到證明廣域量子保密通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的條件已成熟，中國科學(xué)家過去幾年在量子科技領(lǐng)域取得了跨越式的發(fā)展。
量子力學(xué)的建立使人類對世界的認(rèn)識從宏觀深入到微觀，是近400年現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展史上一個(gè)革命性飛躍，也是公認(rèn)的上世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。
在深入了解量子力學(xué)之前，我們需要弄明白，究竟什么是量子？我們這個(gè)復(fù)雜的物理世界，是如何由微觀粒子構(gòu)建而成的？
量子不是“子”，而是一種物理學(xué)概念
物質(zhì)是由原子組成的，原子是由原子核與電子組成的，原子核是由質(zhì)子和中子組成的。那么量子究竟是個(gè)什么粒子？它跟電子、質(zhì)子、中子相比如何呢？
事實(shí)上，量子只是一個(gè)物理學(xué)概念，不是實(shí)物。一個(gè)事物如果存在最小的、不可分割的基本單位，我們就說它是可量子化的，并把其可分割的最小單位稱為量子。所以說，量子并不是具體的實(shí)在粒子。
打個(gè)比方來說，我們在統(tǒng)計(jì)人數(shù)時(shí)，可以有一個(gè)人、兩個(gè)人，但不會出現(xiàn)半個(gè)人。再比如上臺階時(shí)，人們只能邁上一個(gè)臺階、兩個(gè)臺階，而不能上半個(gè)臺階。所以對于統(tǒng)計(jì)人數(shù)來說，一個(gè)人就是一個(gè)量子；對于上臺階來說，一個(gè)臺階就是一個(gè)量子。
同樣的，電子最初是在陰極射線中發(fā)現(xiàn)的最小單位，那么我們就可以說電子是陰極射線的量子。而光子就是光的量子，一束光至少也要有一個(gè)光子，否則就沒有光了。
以上這些例子是物質(zhì)組成的量子化，還有一類是物理量的量子化。假設(shè)你駕駛著一輛“量子汽車”，你只能以5千米/小時(shí)、20千米/小時(shí)或80千米/小時(shí)的速度行駛，這些數(shù)值之間的速度是不允許出現(xiàn)的。換擋的時(shí)候，你突然就從5千米/小時(shí)跳轉(zhuǎn)到20千米/小時(shí)，速度的變化是瞬間發(fā)生的，幾乎覺察不到加速的過程。能量的取值由連續(xù)任意變成離散特定，并且存在一個(gè)固定的最小值，其它值只能是最小值的倍數(shù)。這就叫做物理量的量子化。
科學(xué)研究證實(shí)，在每一種原子和分子中，電子的能量都是量子化的。不只是能量，還有電荷、磁矩、角動量等許多物理量，也是量子化的。
物質(zhì)組成的量子化和物理量的量子化，都說明量子化是微觀世界的本質(zhì)特征，量子力學(xué)也因此成為了科學(xué)家描述微觀世界的基礎(chǔ)理論。
在量子力學(xué)出現(xiàn)后，人們就把傳統(tǒng)的牛頓力學(xué)稱為經(jīng)典力學(xué)。可以舉一個(gè)例子說明“量子”與“經(jīng)典”的本質(zhì)區(qū)別，經(jīng)典世界的特點(diǎn)是物體的物理量、狀態(tài)在某個(gè)時(shí)刻是完全確定的：晶體管要么導(dǎo)通，要么關(guān)閉，完全確定。即經(jīng)典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。
但量子世界中，客體的物理量則是不確定的、概率性的，而且這種不確定性與實(shí)驗(yàn)技術(shù)無關(guān)，是量子世界的本質(zhì)特征，無法消除。
量子概念的提出，源自一場與光的邂逅
量子概念的提出，始于德國科學(xué)家普朗克發(fā)現(xiàn)了黑體輻射的不連續(xù)性無法通過經(jīng)典力學(xué)來解釋。
通俗一點(diǎn)說，就是一個(gè)完全黑的物質(zhì)會吸收一切光線，但是光被黑體吸收的過程不是連續(xù)的。人們一開始不知道光是由光子構(gòu)成的，所以認(rèn)為黑體吸收光線應(yīng)該是連續(xù)的。但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)卻表明，黑體吸收光線是一份一份的，并不是連續(xù)的，這是人類首次發(fā)現(xiàn)能量的量子化特性。
這個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)開啟了通往量子世界的大門，它的發(fā)現(xiàn)者——普朗克也因此獲得了1918年的諾貝爾物理學(xué)獎。
1905年，愛因斯坦做出了三項(xiàng)震驚世界的重大發(fā)現(xiàn)——狹義相對論、布朗運(yùn)動和光電效應(yīng)。光電效應(yīng)被認(rèn)為是人類在理解量子世界的道路上邁出的第二步，愛因斯坦也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎。
簡單地說，光電效應(yīng)就是當(dāng)某一光子照射到對光靈敏的物質(zhì)上時(shí)，它的能量可以被該物質(zhì)中的某個(gè)電子全部吸收。電子吸收光子的能量之后，動能立刻增加，如果動能增大到足以克服原子核對它的引力，就能飛逸出金屬表面，成為光電子，形成光電流。單位時(shí)間內(nèi)，入射光子的數(shù)量愈大，飛逸出的光電子就愈多，光電流也就愈強(qiáng)，這種由光能變成電能自動放電的現(xiàn)象，就叫光電效應(yīng)。
此前，牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論中提出，能量是連續(xù)的，但是光電效應(yīng)現(xiàn)象昭示出世界不再是線性的，而是非線性的。前輩科學(xué)家通過思考光的本質(zhì)，最早提出了量子的概念。所有微觀世界中的粒子，包括原子、原子核、電子以及光子，全都是量子的，而且它們?nèi)疾粷M足牛頓力學(xué)的規(guī)律。這背后是人類從未涉足的領(lǐng)域——微觀量子世界。
到二十世紀(jì)三十年代，量子力學(xué)的理論大廈已經(jīng)基本建立起來，能夠?qū)ξ⒂^世界的大部分現(xiàn)象做出定量描述?，F(xiàn)在科學(xué)界公認(rèn)，量子力學(xué)和相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論。
費(fèi)米子和玻色子，是量子世界存在的基礎(chǔ)
既然描述微觀世界必須用量子力學(xué)，而宏觀物質(zhì)的性質(zhì)又是由微觀結(jié)構(gòu)決定的。所以有必要先了解一下物質(zhì)粒子的量子屬性：費(fèi)米子和玻色子。
隨著量子力學(xué)的深入研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在微觀世界中，很多微小的粒子并不是固定不動的，其中比較重要的一個(gè)性質(zhì)就是粒子自旋，這與地球自轉(zhuǎn)的效果差不多。自旋是粒子的一種與其角動量（可理解為半徑與轉(zhuǎn)動速度的乘積）相聯(lián)系的固有性質(zhì)。量子力學(xué)所揭示的一個(gè)重要之處在于，自旋是量子化的，也就是說，它只能取普朗克常數(shù)的整數(shù)倍或半整數(shù)倍。
物理學(xué)家將不同自旋的粒子分成了兩種。一種自旋是整數(shù)的粒子被稱為玻色子，以印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色的名字命名，光子就是生活中最常見的玻色子。而另外一些粒子自旋是半整數(shù)，被稱為費(fèi)米子，以意大利物理學(xué)家恩利克·費(fèi)米命名，電子就是典型的費(fèi)米子。
科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)玻色子交換，它們的波相加，所以兩個(gè)玻色子喜歡待在一起，有親和力；兩個(gè)費(fèi)米子交換，它們的波相消，所以兩個(gè)費(fèi)米子無法待在一起，互為排斥。這就是有名的泡利不相容原理：兩個(gè)費(fèi)米子不能占據(jù)同一個(gè)狀態(tài)。
因此，原子中的電子必須占據(jù)不同的軌道。所以當(dāng)原子帶有多個(gè)電子時(shí)，電子按能量由低到高，依次的填充不同的軌道。當(dāng)電子數(shù)目不同時(shí)，電子的軌道占據(jù)構(gòu)形也是不同的。因?yàn)樵拥男螤睿饕怯勺詈蟊徽紦?jù)的同顏色軌道所決定的，我們發(fā)現(xiàn)，帶不同數(shù)目電子的原子，會有不同的性狀。這導(dǎo)致了原子的豐富形狀和豐富的化學(xué)活性，這是復(fù)雜生物世界存在的原始基礎(chǔ)。
但是只有費(fèi)米子是構(gòu)不成物質(zhì)的，必須有東西把費(fèi)米子裝配起來才能構(gòu)成物質(zhì)。說白了，我們還需要費(fèi)米子之間能夠相互作用，而傳遞這個(gè)相互作用的粒子的統(tǒng)稱就叫做玻色子。
總的來說，物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)是費(fèi)米子，而物質(zhì)之間的基本相互作用卻由玻色子來傳遞。費(fèi)米子和玻色子，就是我們這個(gè)世界存在的微觀基礎(chǔ)。
量子只是一個(gè)物理學(xué)概念，不是實(shí)物。一個(gè)事物如果存在最小的、不可分割的基本單位，我們就說它是可量子化的，并把其可分割的最小單位稱為量子。所以說，量子并不是具體的實(shí)在粒子。（吳長鋒）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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