量子到底是什么？是比原子、电子更小的粒子,还是一种理论？

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这是个很有意思的问题。看到“量子”这个词。许多人在“不明觉厉”之余。第一反应就是把它理解成某种粒子。但是只要是上过中学的人。都知道我们日常见到的物质是由原子组成的。原子又是由原子核与电子组成的。原子核是由质子和中子组成的。那么问题来了。量子究竟是个什么鬼？难道是比原子、电子更小的粒子吗？

其实不是。量子跟原子、电子根本不能比较大小。因为它的本意是一个数学概念。好比说“5”是一个数字。“3个苹果”是一个实物。你问“5”和“3个苹果”哪个大。这让人怎么回答？正确的回答只能是：它们不是同一范畴的概念。无法比较。

那么。量子这个数学概念的意思究竟是什么呢？就是“离散变化的最小单元”。

举个例子。我们上台阶时。只能上一个台阶、两个台阶。而不能上半个台阶、1/3 个台阶。这就是“离散变化”。对于上台阶这件事来说。一个台阶就是一个量子。

跟“离散变化”相对的叫做“连续变化”。例如你在一段平路上。你可以走到1米的位置。也可以走到1.1米的位置。也可以走到1.11米的位置。如此等等。中间任何一个距离都可以走到。这就是“连续变化”。

显然。离散变化和连续变化在日常生活中都大量存在。这两个概念本身都很容易理解。没有什么特别之处。那么。为什么“量子”这个词会变得如此重要呢？

因为人们发现。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可以分为两类。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。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。你需要分清。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。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。总之是这个值除以某个自然数的平方（-13.6/n^2 eV。n可以取1、2、3、4、5等等）。而不能取-13.6 eV的2 倍、1/2 或1/3等等。这时我们不好说氢原子中电子能量的量子是什么。但会说氢原子中电子的能量是“量子化”的。

说某个东西是量子化的。意思就是这个东西只能离散变化。这是一种普遍现象。每一种原子中电子的能量都是量子化的。也就是说它只能取某些值。不能取这些值之间的值。

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。

对普通民众来说。量子力学听起来似乎很前沿。但对相关专业（物理、化学）的研究者来说。量子力学的相关发展已经超过了一个世纪。

量子力学起源于1900 年。当普朗克在研究“黑体辐射”问题时。发现必须把辐射携带的能量当作离散变化的。才能推出跟实验一致的公式。在此基础上。爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等人提出了一个又一个新概念。大大扩展了量子力学的应用范围。到20 世纪20 年代末。量子力学的理论大厦已基本建立起来。能够对微观世界的很多现象作出定量描述了。

许多最基本的问题。是量子力学出现后才能回答的。例如：

为什么原子能保持稳定。例如氢原子中的电子不落到原子核上？

为什么原子能形成分子。例如两个氢原子聚成氢气分子？

为什么原子有不同的组合方式。例如碳原子能组合成石墨、金刚石、足球烯、碳纳米管、石墨烯？为什么食盐会形成离子晶体？

为什么有些物质很稳定。而有些物质很容易发生化学反应？

为什么有些物质。如铜。能导电？有些物质。如塑料。不导电？为什么有些物质如硅。是半导体？为什么有些物质。如水银。在低温下变成超导体？

为什么会有相变。例如水在0℃以下结冰。0 ～100℃是液体。100℃以上气化？

为什么改变钢铁的组成。能制造出各种特种钢？

为什么激光器和发光二极管能够发光？

为什么化学家能合成比大自然原有物质种类多得多的新物质？

为什么通过观察宇宙中的光谱线能知道远处星球的元素组成？

现代社会硕果累累的技术成就。几乎全都与量子力学有关。你打开一个电器。导电性是由量子力学解释的。电源、芯片、存储器、显示器的工作原理是基于量子力学的。走进一个房间。钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶的性质是由量子力学决定的。登上飞机、轮船、汽车。燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。研制新的化学工艺、新材料、新药。都离不开量子力学。可以这么说：与其问量子力学能用来干什么。不如问它不能干什么！

其他观点：

量子最初由普朗克提出。当时的本意就是一份一份的、不连续的辐射能量。注意最开始量子只描述能量。

后来随着研究深入。量子的定义发展为:一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位。则这个物理量是量子化的。并把最小单位称为量子。注意这时的量子不再只描述能量。也可以说是物质的最小单元。通俗而简单的说。量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。

再说粒子。也是非常复杂的问题。在微观世界里。原子算是庞然大物了。我们都知道原子由中子和质子构成。而中子和质子的大小只是原子的十万分之一。中子和质子由夸克构成。而夸克的大小还不到中子、质子的万分之一。当然粒子界还有很多其他成员。电子、光子、介子、强子、中微子等等等等。

一段时期基本确定夸克、电子、光子、中微子等为自然界最小粒子。后来。又出来一个“弦理论”。认为以上粒子不是单个粒子。不是自然界最小单元。这些粒子是由很小很小的弦(有线性的有闭合的)构成。弦理论已经成为人类探寻宇宙奥秘的一个非常重要的理论。还很有可能成为终极理论。

再回到量子的问题。量子力学是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支。目前我们的量子力学只是停留在发现了一些神奇现象。现在一些最懂量子力学的科学家依然说不懂量子力学。包括主导研制量子通信卫星（去年8月份发射上天）的潘建伟这样的牛人依然说不懂。这个不懂也有必要解释一下。就好比一份产品的使用说明书。你看明白了会利用了。可是依然停留在现象。是什么样的本质导致了如此现象与功能呢？这才是这些牛人的不懂？

最后说一下弦理论。它是继续深入的研究微观粒子的理论。随着发展很有可能会发现粒子的真正构成以及粒子相互作用（或联系）的本质。这或许是宇宙的本质。自然也是量子力学的本质。

其他观点：

“量子”一词最初是普朗克于1900年发明的。他以此驱散当时物理学天空中的一朵乌云：受热物体发出的电磁辐射能量与波长之间的关系。电磁辐射即电磁波。在不同频率范围分别称作可见光、红外线、可见光、紫外线等等。普朗克假设物体发射出的电磁辐射能量是一份一份的。其中每份能量总是一个基本单位的整数倍。这个能量基本单位被他称作能量量子。等于频率乘以一个常数（后称普朗克常数）。1905年。爱因斯坦进一步提出。电磁波本身就是由能量量子组成的。称作光量子（后简称为光子）。这是唯一被爱因斯坦自己称作“革命性”的工作。1913年。玻尔提出。原子中电子的能量只能取一些分立的值。叫作能量量子化。

所以在量子论早期。“量子”的主要含义是分立和非连续。这种含义也被用于当代物理中。比如。“量子霍尔效应”就是指霍尔电导只能取一些分立值。另外。现代物理学中。与光量子类似。每种基本粒子都是一个量子场的振动激发。也叫量子。它们与牛顿力学的粒子观念不同。但依然是客观物质。

1925至1927年。海森堡、玻恩、约旦、薛定谔、狄拉克等人创立了系统的量子力学。取代了早期量子论。量子力学是整个一套理论体系。其特征并不能简单归结于分立和非连续。 现在更多情况下。“量子”是作为一个形容词或者前缀在使用。“量子X”是指在将量子力学基本原理用于X。比如量子光学、量子统计、量子凝聚态物理、量子磁学、量子化学、量子电动力学、量子场论、量子宇宙学、量子信息、量子计算等等。

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