什麼是量子?

2019-02-10 20:16:30
量子概念是什麼

一桶水,如果每天倒掉一半,那么能倒幾天?當然不是一兩天,但也不是無限。因為到最後,桶里只有2顆水分子時,你倒掉1顆分子,只剩下1顆分子,然後遊戲結束了。

這就是巨觀的經驗,在微觀出現的偏差。當我們探究到微觀小尺度時,可能連續的物理量變成了不連續的物理量了。

最早是德國普朗克發現的量子,他發現,在微觀,電子的能量多少只能是一份一份的,不是連續的,與我們在巨觀上觀察物體能量的感覺不一樣。

現在我們知道很多東西都有最小單位,比如光子。無論光源照度如何弱,但到最後也只能是一個光子,一個光子的,不能再弱了。比如時子,時間可以無限分割嗎?也不行,最小的時間單位就是一個時子,大概是10^-43秒。

平時說的量子

量子概念來源是一些巨觀好像連續,在微觀時卻有最小不可分割的物理量。但是平時我們說的量子,並不是這種東西,或者說不是以它們為主。而是量子尺度下的粒子。比如電子,質子,光子,以及其他怪名字的粒子。因為這些東西都開始表現出量子特性。

就像用鏟車堆豆子,和螞蟻去搬運豆子,做法是不同的。對於鏟車來說,豆子是流動的散物料,而對於螞蟻來說,豆子是一顆顆具體的塊狀物。當我們開始要用螞蟻的眼光來對待豆子時,豆子就是量子了。

所以平時學術上說的量子,就是這些粒子,當我們要研究微觀粒子相互之間的事情時,這些粒子就是量子。

量子力學

量子力學是研究量子世界的相互作用的規律。對於普通人來說,我們要知道它有一些基本概念。

測不準原理:

認為,微觀粒子無法同時知道它的位置和動量(也可以說是速度)。

這是因為我們觀察世界的手段,主要是依靠光。比如看螞蟻看不清可以用放大鏡,但其實是光線打到螞蟻身上,然後反射到我們的眼睛裡。根據眼睛看到的信號,我們知道了螞蟻的形狀。這裡有個前提,就是光的波長相對螞蟻來說很小。

一般光的波長與要與我們看的細節相匹配,如果波長是1mm,那么只能看到2mm的細節。如果是10mm的波長,只能看到20mm的細節。我們平時的可見光,波長約380~780nm(納米),所以無論顯微鏡如何先進,也只能看到1000nm,也就是1μm(微米)左右的細節,這個尺寸相當於細菌大小。

所以用光學顯微鏡是無法看清細菌的,否則就是一些點點,需要改電子顯微鏡,或者改用波長很短的X光,然後才能看到細菌的形狀。但是更小的結構,也許連合適的光都找不到了。人類第一次得知DNA的雙螺鏇結構,用的是X射線的衍射,是用這種衍射圖像來猜測DNA是什麼樣的結構。

那么質子中子大小有多少呢?直徑(1.6~1.7)×10−15 m,即1.6個百萬分之一納米。所以用顯微鏡的思想是根本不可能知道質子的形狀的。現在我們書本上的中子、質子、電子形象都是一個個小圓球,其實一定是圓的嗎?鬼知道。

質子有多大,是用粒子對撞中,根據飛濺的粒子軌跡推算它的大小。但是這種方法有個問題,就是你一撞那個粒子就跑了。在量子世界裡,光子也是有質量的。所以,我們無法知道觀察的這顆質子具體位置和速度。

量子態,疊加態,和塌縮:

既然無法觀察量子,包括它的形狀,位置,速度,等等,那么只能猜測它都有哪種可能性,然後再排除錯誤的。把這些量子的剩餘狀態都列出來後,這個量子的穩定結果就是這些狀態的集合,即量子態。

有個著名的薛丁格貓說明了量子態:

構想在一個封閉的盒子裡面,放著一隻貓。在箱子的一角有一個裝有毒氣的瓶子,瓶子是封閉的。另外,還有一個放射性原子核與瓶子連線起來,毒氣瓶的封口會被放射性原子核衰變發出的粒子給打破,放出毒氣,殺死貓。在一定的時間範圍內,放射性物質發生衰變放出粒子的機率是一定的。比方說,在1個小時內,放射性原子核將有50%的機率發生衰變,有50%的機率不發生衰變。那么在我們打開箱子觀看貓的死活之前,我們是不知道其是生是死的。我們可以說,貓處於既是生、又是死的量子疊加態。一旦我們觀察了貓,它就會塌縮到“生”或者“死”之中的某個狀態。

量子疊加態的概念在微觀的量子世界是很具備說服力的,是解釋諸多實驗現象必不可少的理論。在物理理論的文章里,方程公式需要用疊加態來描述。

微觀世界只適用量子物理規律,而巨觀世界適用經典物理規律。但是量子與經典的界限在哪裡?今天物理學家找到了即有相對論又有量子力學的領域,就是宇宙大爆炸的奇點,尺寸足夠小,而力量和速度又足夠大。另一個可以結合的位置是黑洞,霍金提出的黑洞輻射理論,可以看做是相對論和量子力學共同產物。

量子糾纏:

量子世界有個奇特的現象,就是量子糾纏。兩個量子可能會發生糾纏,比如一個自鏇為正,另一個為負,當一個量子改變狀態,由正變負,另一個量子馬上也改變,由負變正。這兩個量子之間好像有通訊,步調一致,而且這個變化與距離無關,好像它們之間的通訊不需要時間。

量子概念的偉大,除了它問世帶來的觀念震驚,還有就是量子力學帶來的規律,給我們指示出來的世界面貌。量子力學也象相對論一樣,改變了看世界的眼光,和提供了研究問題的武器:一切都是可能的,只是發生機率不同。

當下的媒體關注的量子概念

量子概念誕生已經有100年了,現在量子理論開始有實際的領域可以套用了:計算機,通訊。

量子計算機,利用量子的疊加態來計算。量子計算機可以做很多當前計算機比較困難的題目,比如密碼破解。

我們今天的計算機,是應大量的數值運算的需要下誕生的,它很能算乘法。但是,今天計算機普及,主要的工作很少是加減乘除的精確計算,而是查找-複製-傳輸-比較。這些工作用當下的馮諾依曼的計算機效率很低。如果改用量子計算機,這類工作幾乎是一步就完成了,它困難的反而是大量的加減乘除精確計算。

現在做量子量子晶片研發的國家有幾個,中國也是其中一個,但美國領先。不過量子計算還有很多大問題還沒解決,要到實用還早,快10年內,慢50年以上也可能。

量子通訊,利用量子糾纏來做信息傳遞。目前主要是量子密鑰技術,這個領域是中國領先,有名的就是潘建偉院士了。完全的量子通訊,現在可能還沒影。

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