爱读书 探索 “量子”到底是什么?它颠覆了我们太多的传统认知

“量子”到底是什么?它颠覆了我们太多的传统认知

如果你是科学爱好者,一定会非常熟悉“量子”的概念!甚至可以这样说,即使你对科学毫无兴趣,生活中也会听说过“量子”这个词语。“量子”已经与我们的生活息息相关,也成为高科技的代表,成为很多人茶余饭后的谈资。

“量子”到底是什么?它颠覆了我们太多的传统认知-爱读书

但究竟什么是“量子”?它是一种基本粒子吗?这样的问题恐怕需要一定的物理学知识才能解答,否则很容易望文生义,误解了“量子”的本意。

单从字面上来看,量子似乎与分子,原子,质子,中子,电子等一样都是微观粒子,事实上并不是这样的,量子并不是一种微观粒子!

那么量子到底是什么呢?简单说,量子是一种物理概念,并不是具体的物体。物理学是这样定义的,量子似乎一个物理量上存在最小的不可分割的基本单位,如果一个物理量存在这样的单位,我们就称这个物理量是可以量子化的,这个不可分割的最小的单位就被称为“量子”。

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用一个宏观例子能更通俗地理解量子的概念。假如全体人类就是一个物理量,那么我们每个人就是不可分割的最小单位,你我都是量子,因为一个人不可能再进行分割,强行分割也就不是人了!

还有我们平时使用最多的现金,如果现金是一个物理量,那么一分钱就是不可分割的单位,也就是量子,因为一分钱不可分割,半分钱是没有意义的!

如此通俗地解释过后,相信很多人对量子的概念都有了更深的认知。但事实上远非如此,量子的定义很好理解,但与量子有关的概念很难让人理解,因为量子的相关概念完全颠覆了我们在宏观世界的认知。

在我们生活的宏观世界,我们观察到的任何变化都是连续的,比如一辆汽车从你身边呼啸而过,汽车与你的距离是连续变化的,同时汽车的速度也是连续变化的。还有一颗小树苗长成参天大树也是连续变化的,不可能跳跃式生长。

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但在微观世界(量子世界),一切变得如此诡异,因为量子概念的存在,量子世界是不连续的,物理量的变化是离散的,跳跃式的。最常见的例子就是电子跃迁。电子在原子核外层规范随机出现,但这种随机也是受约束的,并不是随意出现在任何地方,而是按特定的轨道出现的,只能从一个轨道直接跃迁到另一个轨道,而不能出现在两个轨道之间。也就是说,电子是从一个轨道直接“瞬移”到另一个轨道的,中间没有过程速度之说。

如果电子的这种行为出现在宏观世界,你就知道有多诡异了。就好比你在客厅看电视,你妈妈在厨房做饭,突然你妈妈出现在你面前,没有任何走动的过程,你是不是会被吓破胆?

我们经常所说的光子其实是“光量子”的简称,因为光也是可以量子化的物理量,光子就是光的最小单位,光在传递的过程中也不是连续的,而是一份一份的。而光其实就是能量,这意味着能量也是离散的,并不是连续的。

量子有以下重要基本特征。

第一,量子叠加。在我们生活的宏观世界,任何物体都只可能有一种状态,比如说你在玩电脑,你只可能在电脑前,不可能再出现在其他地方,这是一个基本生活常识。

但在量子世界,一切都完全不同,一个量子可以同时拥有多种状态,同时出现在不同的地方。而一旦我们想要观察看看量子究竟处于什么状态,量子马上就坍缩为其中一种状态,从不确定性坍缩为确定性。

这就好比在宏观世界,你既可以在家里看电视,同时也可以在学校上课,还可以在网吧玩游戏。如何确定你的状态呢?只有去观测,一旦实施观测,你的状态就确定了!

量子的这种特性如此诡异,难怪爱因斯坦会如此反驳波尔:不看月亮是它就不在那里吗?

在宏观世界当然不可能(其实也是有可能的,但可能性太小太小了,完全可以忽略不计),但在微观世界这种现象到处可见。

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在微观世界,正是因为量子叠加的存在,量子可以同时处理多个事件,而利用量子的这种特性可以大大提升计算机的计算速度,这也是量子计算机的颠覆性所在。

量子计算机的速度远超如今我们使用的普通计算机,到底有多快?举个例子就知道了。比如说用现代计算机分解一个300位的数,需要十几万年的时间才可以完成,而用量子计算机只需要几秒钟就能完成!

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量子纠缠。何为“量子纠缠”?当几个量子发生相互作用后,就会成为一个不可分割的整体,处于纠缠态,不能单独描述其中一个量子的特性。无论量子之间相距多远,整体状态不会发生改变。其中一个量子的状态发生改变,其他量子的状态立刻也会跟着发生相应改变,以保证量子的整体性不会改变!量子之间就好像有“心灵感应”一样,能瞬间感应到彼此!

比如说,即便两个纠缠的量子分别被放在宇宙的两端,只要其中一个量子的自旋方向发生改变,另一个量子的自旋方向也会跟着马上发生变化。

而一旦我们对其中一个量子进行观测,量子的状态马上确定下来,同时量子之间的纠缠关系立刻消失,整体性也不复存在,两个量子不再有任何关系!

量子的这种纠缠态通常会被应用在量子密钥分发领域,极大地提升保证信息的安全系数。一旦信息被窃听(也就是观测),量子纠缠作用马上就会消失,这样信息的分发者立刻就能知道有人在窃听盗取信息了!理论上这种信息分发的安全系数可以是百分之百的。

量子隧穿。何为“量子隧穿”?用宏观世界的例子更好理解。比如说在我们的宏观世界,赤手空拳的你在面对一堵10米高的墙时,无论如何是不可能翻越过去的,用微观世界的术语就是:10米远远超出了你的“能量势垒”!

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但在微观世界一切大不一样。量子(还有各种微观粒子)有一定几率突破自己的“能量势垒”,直接“翻越过去”。这种几率虽然并不大,但由于微观粒子数量太庞大了,能突破能量势垒的微观粒子绝对数量也会很多的。

在我们的太阳内部,1500万度的高温本来是远远达不到核聚变条件的,但正是因为量子隧穿效应,总有一些微观粒子突破“1500万度”的低温约束发生核聚变。

量子隧穿效应早已经应用在我们日常使用的产品当中,比如最常见的半导体,扫描隧道显微镜等产品。

随着科学家对量子力学的深入研究,将会有越来越多的量子产品出现在我们身边,在不远的未来很可能引发新一轮技术革命!

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