一文讀懂!究竟什麼是量子,它有多神奇?

編者按

中央經濟工作會議指出:科技自立自強是促進發展大局的根本支撐,只要秉持科學精神、把握科學規律、大力推動自主創新,就一定能夠把國家發展建立在更加安全、更為可靠的基礎之上。近年來,量子科技發展突飛猛進,成為促進高質量發展、保障國家安全的重要力量。

據此,本版今起推出量子科技系列報道,關注量子科技的發端與發展。

科技日報記者 吳長鋒

量子力學是微觀物理學依賴的基本理論框架,自其提出一百多年來,在物理學基礎與應用的方方面面取得了一個又一個的成功。從九章量子計算機原型的釋出到證明廣域量子保密通訊技術在實際應用中的條件已成熟,中國科學家過去幾年在量子科技領域取得了跨越式的發展。

量子力學的建立使人類對世界的認識從巨集觀深入到微觀,是近400年現代科學發展史上一個革命性飛躍,也是公認的上世紀最偉大的科學發現之一。

在深入瞭解量子力學之前,我們需要弄明白,究竟什麼是量子?我們這個複雜的物理世界,是如何由微觀粒子構建而成的?

一文讀懂!究竟什麼是量子,它有多神奇?

量子不是“子”,而是一種物理學概念

物質是由原子組成的,原子是由原子核與電子組成的,原子核是由質子和中子組成的。那麼量子究竟是個什麼粒子?它跟電子、質子、中子相比如何呢?

事實上,量子只是一個物理學概念,不是實物。一個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,並把其可分割的最小單位稱為量子。所以說,量子並不是具體的實在粒子。

打個比方來說,我們在統計人數時,可以有一個人、兩個人,但不會出現半個人。再比如上臺階時,人們只能邁上一個臺階、兩個臺階,而不能上半個臺階。所以對於統計人數來說,一個人就是一個量子;對於上臺階來說,一個臺階就是一個量子。

同樣的,電子最初是在陰極射線中發現的最小單位,那麼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光子,否則就沒有光了。

以上這些例子是物質組成的量子化,還有一類是物理量的量子化。假設你駕駛著一輛“量子汽車”,你只能以5千米/小時、20千米/小時或80千米/小時的速度行駛,這些數值之間的速度是不允許出現的。換擋的時候,你突然就從5千米/小時跳轉到20千米/小時,速度的變化是瞬間發生的,幾乎覺察不到加速的過程。能量的取值由連續任意變成離散特定,並且存在一個固定的最小值,其它值只能是最小值的倍數。這就叫做物理量的量子化。

科學研究證實,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特徵,量子力學也因此成為了科學家描述微觀世界的基礎理論。

在量子力學出現後,人們就把傳統的牛頓力學稱為經典力學。可以舉一個例子說明“量子”與“經典”的本質區別,經典世界的特點是物體的物理量、狀態在某個時刻是完全確定的:電晶體要麼導通,要麼關閉,完全確定。即經典資訊要麼是0,要麼是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驗技術無關,是量子世界的本質特徵,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,始於德國科學家普朗克發現了黑體輻射的不連續性無法通過經典力學來解釋。

通俗一點說,就是一個完全黑的物質會吸收一切光線,但是光被黑體吸收的過程不是連續的。人們一開始不知道光是由光子構成的,所以認為黑體吸收光線應該是連續的。但是實驗資料卻表明,黑體吸收光線是一份一份的,並不是連續的,這是人類首次發現能量的量子化特性。

這個偉大的發現開啟了通往量子世界的大門,它的發現者——普朗克也因此獲得了1918年的諾貝爾物理學獎。

1905年,愛因斯坦做出了三項震驚世界的重大發現——狹義相對論、布朗運動和光電效應。光電效應被認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年的諾貝爾物理學獎。

簡單地說,光電效應就是當某一光子照射到對光靈敏的物質上時,它的能量可以被該物質中的某個電子全部吸收。電子吸收光子的能量之後,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。單位時間內,入射光子的數量愈大,飛逸出的光電子就愈多,光電流也就愈強,這種由光能變成電能自動放電的現象,就叫光電效應。

此前,牛頓的經典力學理論中提出,能量是連續的,但是光電效應現象昭示出世界不再是線性的,而是非線性的。前輩科學家通過思考光的本質,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,而且它們全都不滿足牛頓力學的規律。這背後是人類從未涉足的領域——微觀量子世界。

到二十世紀三十年代,量子力學的理論大廈已經基本建立起來,能夠對微觀世界的大部分現象做出定量描述。現在科學界公認,量子力學和相對論是現代物理學的兩大基礎理論。

費米子和玻色子,是量子世界存在的基礎

既然描述微觀世界必須用量子力學,而巨集觀物質的性質又是由微觀結構決定的。所以有必要先了解一下物質粒子的量子屬性:費米子和玻色子。

隨著量子力學的深入研究,科學家發現,在微觀世界中,很多微小的粒子並不是固定不動的,其中比較重要的一個性質就是粒子自旋,這與地球自轉的效果差不多。自旋是粒子的一種與其角動量(可理解為半徑與轉動速度的乘積)相聯絡的固有性質。量子力學所揭示的一個重要之處在於,自旋是量子化的,也就是說,它只能取普朗克常數的整數倍或半整數倍。

物理學家將不同自旋的粒子分成了兩種。一種自旋是整數的粒子被稱為玻色子,以印度物理學家薩特延德拉·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,被稱為費米子,以義大利物理學家恩利克·費米命名,電子就是典型的費米子。

科學家通過實驗發現,兩個玻色子交換,它們的波相加,所以兩個玻色子喜歡待在一起,有親和力;兩個費米子交換,它們的波相消,所以兩個費米子無法待在一起,互為排斥。這就是有名的泡利不相容原理:兩個費米子不能佔據同一個狀態。

因此,原子中的電子必須佔據不同的軌道。所以當原子帶有多個電子時,電子按能量由低到高,依次的填充不同的軌道。當電子數目不同時,電子的軌道佔據構形也是不同的。因為原子的形狀,主要是由最後被佔據的同顏色軌道所決定的,我們發現,帶不同數目電子的原子,會有不同的性狀。這導致了原子的豐富形狀和豐富的化學活性,這是複雜生物世界存在的原始基礎。

但是隻有費米子是構不成物質的,必須有東西把費米子裝配起來才能構成物質。說白了,我們還需要費米子之間能夠相互作用,而傳遞這個相互作用的粒子的統稱就叫做玻色子。

總的來說,物質的基本結構是費米子,而物質之間的基本相互作用卻由玻色子來傳遞。費米子和玻色子,就是我們這個世界存在的微觀基礎。

編輯:張爽

稽核:朱麗

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