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作為一個普通人,“量子”到底是什么?


簡單的說:量子就是構(gòu)成我們這個世界的最小量。所以說這個世界的物質(zhì)和能量是不可以無限分割的。

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


普朗克

對于一定頻率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行,每個量子的能量為E=hν,稱為作用量子。從經(jīng)典力學來看,能量不連續(xù)的概念是絕對不允許的。

普朗克這個名字命名了很多與量子有關(guān)的數(shù)據(jù):

普朗克尺度----最小的長度,其值約為1.6x10的-35次方米,比這個再小的長度在物理學里是無意義的。大約為一個質(zhì)子的1/10。

普朗克時間----最短的時間,其值約為10^-43s秒,比這個再短的時間在物理學里無意義。這也是宇宙大爆炸的第一個時刻。

普朗克溫度-----熱力學的最高溫度。約為10^32K。這是宇宙大爆炸的第一個時間間隔(普朗克時間)的溫度。高于這個溫度無意義。

量子世界的物理規(guī)律是反人類直覺的。

量子疊加態(tài):可以同時為1和0,直到對它進行測量為止。

量子糾纏態(tài):一對糾纏中的量子,在無限遠的距離里,如果對其中一個量子進行了測量為1,另一個量子態(tài)立即就會成為0,不需要任何傳遞時間。需要強調(diào)的是,但這并不違法相對論。

海森堡測不準原理:粒子的位置與動量不可同時被確定,一個微觀粒子的某些物理量,不可能同時具有確定的數(shù)值,其中一個量越確定,另一個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間、角動量和角度等物理量之間。

量子力學里最好玩的就是薛定諤的貓這個思想實驗:


在一個盒子里關(guān)著一只貓,用一個放射性原子作為開關(guān),這個原子半衰期為1個小時(1個小時內(nèi),原子衰變的幾率為百分之五十),如果衰變了就會打開開關(guān)放出毒氣,就會毒死貓,當然,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),原子同時處于1(衰變)和0(不衰變)的狀態(tài)。貓難道同時處于死和不死的狀態(tài)?難道看一眼(觀測)就能決定貓的生死?

這是薛定諤對量子力學的質(zhì)疑。但量子的疊加態(tài)確實存在,而且狀態(tài)由觀測決定。我國的量子加密通訊就是利用了這一原理進行的。



對于普通人來說,量子力學、還有波粒二象性測不準原理等等等等,無論怎么講,都不可能講明白,或者說,無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理解量子力學,看看能不能得到新的啟發(fā),哪怕能夠加深一點點對量子力學的認識,也不枉冒天下之大不韙,也歡迎大家批判。

首先,什么是量子。先從人說起。人,這個世界上存在半個人嗎?沒有。一個人,是人的基本單位,換做其它任何生命體,比如細菌、比如哪怕病毒,它們都具有一個最小的不可再分的基本單元,在生物界,我們把它們稱作個體。這些個體,具有一個共同的基本性質(zhì),就是不可再分割性。如此,則可以說一個人,就是人類社會的(基本)量子。

二,測不準原理。夏天熱,冬天冷,這是經(jīng)典傳統(tǒng)的看法,絕對沒有錯。但是,某一個具體的夏日,比如,6月20日的氣溫,能預(yù)報準確嗎?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,反過來,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。“燈下黑”原理,可以作為人類認識能力和實踐能力局限性的一個基本法則。人類的測量行為,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,那就是測量工具的極限。當測量行為在測量工具的極限情景下進行時,針尖和麥芒,孰主?孰客?誰是測量工具?誰又是測量對象呢?到了可見光波長的尺度下,到了X光波長的尺度下,這個問題就出來了。

三,波粒二象性。宏觀事物往往是矛盾的統(tǒng)一體,或者是對立事物的集合體。如某小說的題目《一半是海水一半是火焰》,如某小說《男人的一半是女人》。微觀粒子的行為也作如是表現(xiàn)。(以我們的時間觀所理解的)某一確定時刻,一個粒子,既可以在左邊,也可以在右邊,甚至可以認為這個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不準原理是同一問題的兩個答案,粒子的波動性表現(xiàn)為空間分布的概率(幾率)波動。

四,薛定諤的貓=《道德經(jīng)》的魚=王陽明的花。“你未看此花時,此花與汝同歸于寂;你來看此花時,則此花顏色一時明白起來”,這是王陽明的名言,似乎是表達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,但它也確實是一種測量行為,最簡單的那種“有還是沒有”而不是“到底有多大有多少”的測量行為,這種行為導致了對事物存在的判定。老子的魚是不可“脫于淵”的,正如老子的“國之利器不可以示人”。薛定諤的貓與老子的魚,共同點在于,對立的二者是相互依存互為條件的,而不是因果關(guān)系。其實,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!

最后必須強調(diào),神秘感,是大部分普通人對量子力學的抱有的感覺,但是,經(jīng)典的牛頓力學,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值觀。這是為什么呢?顯然,牛頓力學涉及的世界,是我們普羅大眾看得見摸得著的宏觀實體世界,理解的難度不會太大;可就量子力學而言,這里面可是有著幾乎不可言說的“秘密”,那就是,在近百年來被實驗證實而沒有證偽的同時,幾乎所有的物理學家,至今仍然對量子力學的基礎(chǔ),感到難以啟齒的柔弱。


“量子”這個概念已經(jīng)越來越多的出現(xiàn)在我們的生活中。你聽到過“墨子”號量子科學衛(wèi)星上天,也時不時會見到媒體報道量子計算機又有了新的突破。除了這些,一些賣保健品的家伙為了讓自己的產(chǎn)品聽起來嚇人,動不動也會貼上“量子”二字,比如量子茶杯、量子鞋墊、量子什么什么共振儀……若是你問問那些推銷保健品的“什么是量子?”他們的回答會暴露出他們對量子的一無所知。

除了保健品騙子樂意用“量子”為自己貼金,神棍也樂意拿“量子”粉飾自己。比如,臭名昭著的“量子佛學”,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,千萬不要聽宗教徒和賣保健品的。我曾見過一賣量子保健品的廣告,居然認為量子是一種粒子,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“量子”是一無所知的。

郭光燦院士在批判網(wǎng)上流傳的量子隱身衣時曾提到怎么鑒別一個東西是不是量子的,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,德國物理學家普朗克在研究黑體輻射時發(fā)現(xiàn),只有認為能量是不連續(xù)的,即一份一份的,才能將理論和實驗數(shù)據(jù)完美的結(jié)合起來。這里一份一份不連續(xù)的能量,就是能量的量子化。這個概念的提出在當時是很大膽的,因為人們覺得黑體輻射出的能量值只能是某個最小值的整數(shù)倍是不可思議的,連普朗克都對覺得這是孤注一擲。

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獎。

在給出量子概念以前,有很多物理量是認為可以連續(xù)變化的。比如1米的長度,平分為2分后,還可以繼續(xù)平分下去,一直無限的平分下去。1焦耳的能量,也可以無線的平分下去。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;這時候就可以說能量是量子化的。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,也可以說有“離散”變化,比如有3個人、4個人,但不能有3.5個人。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,瓶子完好,貓就是活的。這里,貓只有兩個狀態(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。打開箱子相當于是測量,測量到的狀態(tài)只有兩種:要么活要么死,不可能測量到半死不活的貓。而用波函數(shù)描述貓的狀態(tài)時,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,對大多數(shù)人來說就可以進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)認識宇宙的一種方式。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。我們要描述它的運動變化,作為一個整體弄就好了。但是呢,量子就是拿來作為一個一個的分子來處理。

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

量子理論一般都用于解決那些微觀的現(xiàn)象,那個時候,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管子中通過要多長時間,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。

其實量子理論就是基于現(xiàn)實世界有很多東西,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,會有很多新奇的現(xiàn)象,如是而已。


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

通俗地說,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:一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,并把最小單位稱為量子。量子英文名稱量子一詞來自拉丁語quantus,意為“有多少”,代表“相當數(shù)量的某物質(zhì)”。在物理學中常用到量子的概念,指一個不可分割的基本個體。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、量子光學等成為不同的專業(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”。“量子化”指其物理量的數(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)射光譜等一般問題。絕大多數(shù)物理學家將量子力學視為了解和描述自然的的基本理論。



普通人是指哪些人呢?有沒有學過高等數(shù)學?對經(jīng)典物理學、電磁學等學科的了解程度是怎樣的?對狹義相對論和廣義相對論有沒有一個大致概念?

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是個什么東西。我查了一下,百度里對量子的解釋還是比較通俗化的,你可以看一下。不過問題不在這里,你即使看懂每個字,卻還是不明白量子是什么,為什么我們要研究它。是么?

現(xiàn)代科學早就已經(jīng)發(fā)展到一個高度細分的時代,真正是隔行如隔山。任何一門學科想真正入門都要經(jīng)過十年甚至幾十年的專業(yè)訓練。可以這么說,一個頂級的計算機學家或植物學家,他對分子物理學的了解恐怕比普通人也好不了多少。以前那種“試用一句話來解釋XXX學”的年代已經(jīng)徹底過去了,而且即使是科普專家也越來越難把專業(yè)知識解釋給普通人聽了。

所以不必強求要了解量子力學這樣的學科到底研究的是什么,這對任何人都是困難的。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

德國物理學家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。可以是時間、溫度、尺寸的最小單位。比如我們說一個小時、一個蘋果,單位都是個。量子是最小單位不可再分割的單位,我們說時間單位小時、分、秒,把時間分到最小的單位不能再小的級別單位就是量子。我們說溫度、同樣可以分到最小到量子級別,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),是計量單位。

理論演進

量子物理學是研究微觀粒子運動規(guī)律的學科,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光的傳播過程,提出“光量子”(光子)的概念。奧地利物理學家薛定諤建立了量子波動力學。量子理論的發(fā)展進入量子力學。


最經(jīng)典的例子是光子和電子,一個光子就是一個能量單位.當有意識觀測量子的時候,同時存在于各個點上,釋放一個光子就降低一個能級而躍入低級軌道.


對于一個普通人,四季是一年的量子,新月上弦滿月下弦是一月的量子,十二時辰是一天的量子,對于普通人來說量子僅對應(yīng)于上一級周期而言,并以自然數(shù)表達(中國古人認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】(不是簡單的累加)構(gòu)成。對于非普通人來說,非要去找出個一微微............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間的問題了。


量子力學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性,量子力學的論點是空間的一個粒子在空間分布的\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)論量子力學粒子性動量、能量不可分割。


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