如果说当今科技前沿最时髦的主题是什么?我认为“量子”无疑是当之无愧的。关于量子的文章、报道可以说是铺天盖地、数不胜数。当然,“人工智能”也是近年来持续火热的话题,但与量子相比,它们并不在同一维度上。前者属于基础研究,而后者则侧重于应用层面。
我们最常听到的概念可能是量子力学、量子纠缠、量子坍缩、量子通信等。但在深入了解这些概念之前,我们首先需要明确:到底什么是量子?又有谁能清晰地解释这个概念呢?
今天,我们就来聊一聊量子。作为一个非专业人士,我会尽量用通俗的语言来解释“量子”这个概念。或许,非专业人士更容易向非专业人员解释清楚这种前沿概念。
在如今的信息时代,能看到这篇文章的读者或许都听说过“量子”一词。有人会说:“量子不就是微观粒子吗?不就是电子、光子吗?”其实,这种说法并不完全正确。量子并不是具体的粒子,要想理解量子,我们必须跳出那些现实存在的有形具体粒子的思维框架。
我们知道,物质是由分子、原子组成的,而原子又由质子、中子(注:原文中的“种子”应为“中子”)、电子等粒子构成。如果我们再进一步细分,现代物理学将所有的粒子归纳为几十种现代科学认为不可再分割的所谓基本粒子,除了上面提到的质子、中子、电子之外,还有夸克等。但其中并没有哪个微观粒子被称为“量子”。
因此,量子不是实物,不是有形的颗粒,而只是一种概念。通常情况下,我们不会将“量子”视为粒子,而是将其作为量子力学、量子理论、量子态、量子现象等概念的一种泛称。
“量子”一词来源于拉丁语,原意为“不可分割”,指的是物理量的不连续性。在经典物理学中,物理量的变化可以无限细分,没有最小值限制。就像我们去地下车库的通道,它是一个斜坡,高度是连续变化的,理论上这个变化值可以无限小。
但在量子力学中则不同。同样以车库为例,下车库的通道不再是斜坡,而是楼梯,是一级一级的台阶。而且,这些台阶的高度不能无限小下去,而是有一个最小值,这个最小值就是普朗克常数。这就说明这个楼梯的高度被“量子化”了,不再是连续性的。
很多人认为,有形的物体应该能够被无限分割。就像古人说的:“一尺之棰,日取其半,万世不竭”。但在量子理论中,情况并非如此。物理量都有一个不可再分割的最小值,这个最小值都与普朗克常数有关。这便是量子理论研究的范畴。量子力学以及它所研究的中子、质子、电子等基本粒子,都在普朗克常数这样的范围内运动。