量子——科學(xué)界的頂流

近年來，“量子”（quantum）成了最熱的科技術(shù)語之一。中國在量子領(lǐng)域取得了很多世界領(lǐng)先的成果，例如2016年，中國發(fā)射世界第一顆量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星“墨子號”；2017年，中國開通世界第一條量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”；2020年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊發(fā)布“九章”光量子計算機(jī)，后來又在2021年和2023年升級為“九章二號”和“九章三號”。

 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研發(fā)的量子計算機(jī)“九章” 

然而在量子大熱的同時，大多數(shù)人對它的理解是一團(tuán)模糊。許多人聽說過“薛定諤的貓”、多世界理論、量子糾纏、愛因斯坦與玻爾的爭論（“上帝不擲骰子”）等，感覺玄而又玄，網(wǎng)上甚至出現(xiàn)了俗語：“遇事不決，量子力學(xué)；解釋不通，穿越時空?！?/p>

 圖片源自網(wǎng)絡(luò) 

更糟糕的是，許多量子“科普”明明是偽科學(xué)，但卻通過營造神秘感抓住了流量密碼。例如經(jīng)常有人說，量子力學(xué)讓我們對世界的認(rèn)識崩塌了；甚至還有人說，量子力學(xué)說明了存在鬼魂。曾經(jīng)有一次，新華社請我給下屬各個單位的科普負(fù)責(zé)人講如何做科普，講完后有一位聽眾提問：我們是不是應(yīng)該向網(wǎng)上那些很有神秘主義風(fēng)格的量子“科普”學(xué)習(xí)？我回答他：這些不是我們學(xué)習(xí)的對象，而是斗爭的對象！

當(dāng)然，量子是個不容易科普的領(lǐng)域，因為它的概念都比較抽象，跟日常生活離得很遠(yuǎn)。看到量子這個詞，甚至都沒法猜出這個領(lǐng)域是干什么的。相比之下，其他許多領(lǐng)域就好理解得多。例如新能源，即使不知道光伏、風(fēng)電等的原理，單從名字就能知道它是新的能源；又如航空航天，完全不需要知道伯努利效應(yīng)、齊奧爾科夫斯基公式，也能明白這個領(lǐng)域要干的事情。

 2016年9月，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星在中國科學(xué)院新疆天文臺南山觀測站過境。本圖為多張照片合成，綠色為衛(wèi)星信標(biāo)光，紅色為地面望遠(yuǎn)鏡與衛(wèi)星之間的通信光。 

對量子的正確理解

對“量子”最容易產(chǎn)生的想法是：我聽說過電子、質(zhì)子等粒子，那么量子也是一種粒子嘍？然后很多人會問：它跟電子、質(zhì)子相比是大是??？每當(dāng)有人問我這個問題，我都會告訴他們，量子并不是一種粒子。

對量子的正確理解可以分為兩層：

1?? “量子化”指的是不連續(xù)的變化，即離散變化

2?? 有個物理學(xué)理論叫作量子力學(xué)，而量子科技則是指以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的科技。

如果某個東西只能不連續(xù)地變化，也就是說離散地、跳躍地、臺階式地變化，我們就說它是量子化的。如果一個東西是量子化的，我們就把它的最小單元稱為量子。所以對量子的準(zhǔn)確定義是：離散變化的最小單元。

這樣的例子其實(shí)有很多。上臺階的時候，不可能上半個臺階，這就是量子化。上臺階時，1個臺階就是1個量子。又如統(tǒng)計人數(shù)，一個房間里有多少人？不可能出現(xiàn)半個人。統(tǒng)計人數(shù)時1個人就是1個量子。又如電影院的座位，你不可能坐在5.5號座，這時1個座位就是1個量子。有人可能會問，哈利·波特去霍格沃茨魔法學(xué)校為什么走的是“九又四分之三站臺”？——這正說明它是虛構(gòu)作品嘛！

 電影中的“九又四分之三站臺” 

以上都是宏觀世界的例子。在微觀世界，量子化更加常見，它也正是微觀世界的一大本質(zhì)。

例如，氫原子中電子的能量是量子化的，只能取某些分立的值，不可能取到這些值的中間數(shù)值，這些分立的能量值叫作能級。具體而言，氫原子中電子的能級是-13.6電子伏特除以n的平方，其中n＝1, 2, 3,…，而電子伏特則是一個能量單位。這些能級并不是等間距的，但確實(shí)是量子化的。

由此就決定了，氫原子發(fā)出的光的能量只能取某些特定的值，因為它必然等于2個相鄰能級的能量差。這就是原子光譜的來源，我們就是通過這個現(xiàn)象來分析遙遠(yuǎn)的恒星中存在哪些元素的。

 原子光譜（圖片源自網(wǎng)絡(luò)） 

又如，光是量子化的。一束光其實(shí)由很多個光子組成，最少也要有1個光子，否則就沒有光了。一個重要的效應(yīng)叫作光電效應(yīng)，是指1個光子打在金屬上就可以把金屬中的1個電子打出去，把光信號轉(zhuǎn)化成電信號。用手機(jī)拍照時，它用來感光的CMOS元件就是基于光電效應(yīng)而設(shè)計的。

 光電效應(yīng)示意圖（圖片源自網(wǎng)絡(luò)） 

量子化是微觀世界的本質(zhì)現(xiàn)象，是人類歷史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。20世紀(jì)初，馬克斯·普朗克（1858～1947）等科學(xué)家以此為基礎(chǔ)建立了量子力學(xué)?，F(xiàn)在，量子力學(xué)與相對論被稱為物理學(xué)的兩大支柱。

作者簡介

袁嵐峰，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員、科技傳播系副主任，中國科協(xié)科普專業(yè)研究員，安徽省科協(xié)常務(wù)委員，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會會長，中國青少年新媒體協(xié)會常務(wù)理事，中國科普作家協(xié)會理事，中國物理學(xué)會科普工作委員會委員，中國化學(xué)會科普工作委員會委員，入選“典贊·2018科普中國”十大科學(xué)傳播人物。

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