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量子究竟是个什么东东?

量子的对应英文是Quantum,英文释义为:a discrete quantity of energy proportional in magnitude to the frequency of the radiation it represents.翻译成中文:一个表征辐射能量的离散量,大小与辐射频率成比例。量子在日文中也写作“量子”,即书写相同发音不同,由于众所周知的原因,推测:“量子”这个中文词汇是直接使用的日文,配上了中文发音。日语中,量子解释为能量子,一粒一粒的能量,一份一份的能量,也就是离散的能量。

从量子的定义,我们可以有这样一些推论:

(1)因为辐射频率是离散量,所以辐射能量也是离散量。

(2)还是因为离散量的原因,某个确定的辐射能量,即频率一定,细分到只有一份,也就是量子,再往后就不能再细分了,换句话说,量子是特定辐射的最小能量单元。

(3)量子这个最小的能量单元,有许多不同的取值,分别对应于不同的频率,不同的辐射。例如:可见光就是一种辐射,红光有自己的量子,就叫红量子吧,红光由大量的红量子组成,这个红量子不能再细分了,再分就不能保持原有的性质了。

(4)量子不是某个具体的物质组成单元,与分子、原子、质子、中子、电子、基本粒子不同,虽然大家都有个“子”字,也就是说量子不是粒子,是能量子,光有光量子,微波有微波量子。

(5)我们知道,微观世界的“存在”具有“波粒二相性”,既有波的特性又有粒子的特性,量子也不例外,那份最小的能量像粒又像波!千万不要用宏观的“沙子粒”和“水波”套用在微观粒子头上,也包括量子。要用抽象后的“沙子粒”和“水波”去理解微观世界。

(6)稍稍扩展一下。量子,是在保持某种特性的前提条件下,研究对象/物质/系统的最小组成单元。不可分是在这种特性不变的前提条件下来讲的,从这个意义上来说,与我们现在常用的“元”字一样。如:元数据、元模型、元分析、meta……

(7)量子最早的概念是指最小单位的能量,不过后来物理学家们发现,不单单能量可以表现出这种不连续的分离化性质,其他物理量例如角动量、自旋、电荷等都可以表现出量子化特征,于是量子的范围又被扩大到了整个物理体系中,进而构建了量子力学。

量子态叠加

量子态,在量子力学中,微观粒子的运动状态就是量子态。量子态由一组量子数表征,这组量子数的个数等于粒子的自由度数。例如:某个粒子由两个量子数表征,称为粒子有两个基态,分别记作|0>和|1〉,那么这个粒子的量子态|Ψ〉就可以形象地理解为三维单位球面上的点。这个三维单位球,大家称之为Bloch球。原谅我就写这一个公式吧。

|Ψ〉 = α|0> + β|1〉,且|α|2 + |β|2 = 1

量子态叠加是这样一种现象:量子的运动状态是基态叠加后的状态。量子态叠加的结果是叠加态。量子态叠加可以认为是“波的相干叠加性”与“波函数完全描述一个体系的量子态”两个概念的概括。

测不准原理

量子纠缠

首先我们要知道量子物理研究的对象是什么? 量子物理研究的东西都超级超级小。

假设我们肉眼能分辨的大小是一个足球场的大小,那么量子物理研究的就是足球场里的一个棒球那么大的东西。

所以量子物理是微观物理,有别于经典物理。(经典物理的代表人物就是牛顿,简而言之经典物理就是研究宏观的东西,人眼能看的一清二楚的。

离散变化是微观世界的一个本质特征。微观世界中的离散变化包括两类,一类是物质组成的离散变化,一类是物理量的离散变化。

先来看第一类,物质组成的离散变化。例如光是由一个个光子组成的,你不能分出半个光子、1/3个光子,所以光子就是光的量子。阴极射线是由一个个电子组成的,你不能分出半个电子、1/3个电子,所以电子就是阴极射线的量子。

在这种情况下,你似乎可以拿量子去跟原子、电子比较了,但这并没有多大意义,因为它是随你的问题而变的。原子、电子、质子、中子、中微子这些词本身就对应某些粒子,而量子这个词在不同的语境下对应不同的粒子(如果它对应粒子的话)。并没有某种粒子专门叫做“量子”!

再来看第二类,物理量的离散变化。例如氢原子中电子的能量只能取-13.6 eV(eV 是“电子伏特”,一种能量单位)或者它的1/4、1/9、1/16 等等,总之就是-13.6 eV除以某个自然数的平方(-13.6/n^2 eV,n可以取1、2、3、4、5等),而不能取其他值,例如-10 eV、-20 eV。我们不好说氢原子中电子能量的量子是什么(因为不是等间距的变化),但会说氢原子中电子的能量是量子化的,位于一个个“能级”上面。每一种原子中电子的能量都是量子化的,这是一种普遍现象。

发现离散变化是微观世界的一个本质特征后,科学家创立了一门准确描述微观世界的物理学理论,就是“量子力学”。现在你可以明白,这个名称是怎么来的,它其实是为了强调离散变化在微观世界中的普遍性。量子力学出现后,人们把传统的牛顿力学称为“经典力学”。