量子究竟是什么？粒子还是理论？— 探索“量子”的真实身份

小深

“遇事不决，量子力学”，一句网络流行语的调侃，侧面反映出近年来量子科技的突飞猛进。从前沿研究到日常生活，越来越多人对量子产生了兴趣。那么，量子到底是什么？量子不是一种粒子，而是一种性质。具体而言，当一种事物是不连续变化的，我们就说这种事物是量子化的，把它的最小单元称为量子。
然而在量子大热的同时，大多数人对它的理解是一团模糊。许多人听说过“薛定谔的猫”、多世界理论、量子纠缠、爱因斯坦与玻尔的争论等，感觉玄而又玄，网上甚至出现了俗语：“遇事不决，量子力学；解释不通，穿越时空。”
量子化是微观世界的本质特征。在宏观世界里连续变化是大多数，但在微观世界里，不连续变化才是默认值。例如，光是由一个个光子组成的，可以有一个光子、两个光子，但不可能有半个光子。原子中电子的能量只能取某些特定的值，不能连续变化，所以这些可取的能量值叫作能级。此外，粒子的电荷、角动量、磁矩等物理量，在大多数情况下也都是量子化的。
因此，描述微观世界物理规律的科学就叫作量子力学。这是由德国物理学家普朗克在1900年开创的，后来经过爱因斯坦、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等许多科学家的努力，成为物理学的两大基础理论之一。世界上，几乎找不到与量子力学无关的地方。世界的存在，即原子的稳定性。观察原子结构可以发现，原子是由带正电的原子核与带负电的电子组成的。电子为什么不落到原子核上去？实际上，按照传统的物理学，电子必然会落到原子核上，如果这样，原子就不可能稳定存在，我们所知的世界也就不可能存在。量子力学“拯救”了原子，量子力学决定了原子中电子的能级有个最小值，电子最低只能在这个能级上，不能再往下掉。因此，电子不会落到原子核上。。




许多量子“科普”明明是伪科学，但却通过营造神秘感抓住了流量密码。例如经常有人说，量子力学让我们对世界的认识崩塌了；甚至还有人说，量子力学说明了存在鬼魂。当然，量子是个不容易科普的领域，因为它的概念都比较抽象，跟日常生活离得很远。看到量子这个词，甚至都没法猜出这个领域是干什么的。相比之下，其他许多领域就好理解得多。例如新能源，即使不知道光伏、风电等的原理，单从名字就能知道它是新的能源；又如航空航天，完全不需要知道伯努利效应、齐奥尔科夫斯基公式，也能明白这个领域要干的事情。
对“量子”最容易产生的想法是：我听说过电子、质子等粒子，那么量子也是一种粒子喽？然后很多人会问：它跟电子、质子相比是大是小？每当有人问我这个问题，我都会告诉他们，量子并不是一种粒子。对量子的正确理解可以分为两层：
“量子化”指的是不连续的变化，即离散变化，有个物理学理论叫作量子力学，而量子科技则是指以量子力学为基础的科技。如果某个东西只能不连续地变化，也就是说离散地、跳跃地、台阶式地变化，我们就说它是量子化的。如果一个东西是量子化的，我们就把它的最小单元称为量子。所以对量子的准确定义是：离散变化的最小单元。
这样的例子其实有很多。上台阶的时候，不可能上半个台阶，这就是量子化。上台阶时，1个台阶就是1个量子。又如统计人数，一个房间里有多少人？不可能出现半个人。统计人数时1个人就是1个量子。又如电影院的座位，你不可能坐在5.5号座，这时1个座位就是1个量子。有人可能会问，哈利·波特去霍格沃茨魔法学校为什么走的是“九又四分之三站台”？——这正说明它是虚构作品嘛！
以上都是宏观世界的例子。在微观世界，量子化更加常见，它也正是微观世界的一大本质。例如，氢原子中电子的能量是量子化的，只能取某些分立的值，不可能取到这些值的中间数值，这些分立的能量值叫作能级。具体而言，氢原子中电子的能级是负13.6电子伏特除以n的平方，其中n＝1, 2, 3,…，而电子伏特则是一个能量单位。这些能级并不是等间距的，但确实是量子化的。
由此就决定了，氢原子发出的光的能量只能取某些特定的值，因为它必然等于2个相邻能级的能量差。这就是原子光谱的来源，我们就是通过这个现象来分析遥远的恒星中存在哪些元素的。
又如，光是量子化的。一束光其实由很多个光子组成，最少也要有1个光子，否则就没有光了。一个重要的效应叫作光电效应，是指1个光子打在金属上就可以把金属中的1个电子打出去，把光信号转化成电信号。用手机拍照时，它用来感光的CMOS元件就是基于光电效应而设计的。量子化是微观世界的本质现象，是人类历史上最伟大的发现之一。20世纪初，马克斯·普朗克等科学家以此为基础建立了量子力学。现在，量子力学与相对论被称为物理学的两大支柱。。

量子概念的提出，始于德国科学家普朗克发现了黑体辐射的不连续性无法通过经典力学来解释。通俗一点说，就是一个完全黑的物质会吸收一切光线，但是光被黑体吸收的过程不是连续的。人们一开始不知道光是由光子构成的，所以认为黑体吸收光线应该是连续的。但是实验数据却表明，黑体吸收光线是一份一份的，并不是连续的，这是人类首次发现能量的量子化特性。
这个伟大的发现开启了通往量子世界的大门，它的发现者——普朗克也因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。
1905年，爱因斯坦做出了三项震惊世界的重大发现——狭义相对论、布朗运动和光电效应。光电效应被认为是人类在理解量子世界的道路上迈出的第二步，爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。
简单地说，光电效应就是当某一光子照射到对光灵敏的物质上时，它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量之后，动能立刻增加，如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电能自动放电的现象，就叫光电效应。
此前，牛顿的经典力学理论中提出，能量是连续的，但是光电效应现象昭示出世界不再是线性的，而是非线性的。前辈科学家通过思考光的本质，最早提出了量子的概念。所有微观世界中的粒子，包括原子、原子核、电子以及光子，全都是量子的，而且它们全都不满足牛顿力学的规律。这背后是人类从未涉足的领域——微观量子世界。到二十世纪三十年代，量子力学的理论大厦已经基本建立起来，能够对微观世界的大部分现象做出定量描述。现在科学界公认，量子力学和相对论是现代物理学的两大基础理论。
既然描述微观世界必须用量子力学，而宏观物质的性质又是由微观结构决定的。所以有必要先了解一下物质粒子的量子属性：费米子和玻色子。
随着量子力学的深入研究，科学家发现，在微观世界中，很多微小的粒子并不是固定不动的，其中比较重要的一个性质就是粒子自旋，这与地球自转的效果差不多。自旋是粒子的一种与其角动量（可理解为半径与转动速度的乘积）相联系的固有性质。量子力学所揭示的一个重要之处在于，自旋是量子化的，也就是说，它只能取普朗克常数的整数倍或半整数倍。
物理学家将不同自旋的粒子分成了两种。一种自旋是整数的粒子被称为玻色子，以印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色的名字命名，光子就是生活中最常见的玻色子。而另外一些粒子自旋是半整数，被称为费米子，以意大利物理学家恩利克·费米命名，电子就是典型的费米子。
科学家通过实验发现，两个玻色子交换，它们的波相加，所以两个玻色子喜欢待在一起，有亲和力；两个费米子交换，它们的波相消，所以两个费米子无法待在一起，互为排斥。这就是有名的泡利不相容原理：两个费米子不能占据同一个状态。
因此，原子中的电子必须占据不同的轨道。所以当原子带有多个电子时，电子按能量由低到高，依次的填充不同的轨道。当电子数目不同时，电子的轨道占据构形也是不同的。因为原子的形状，主要是由最后被占据的同颜色轨道所决定的，我们发现，带不同数目电子的原子，会有不同的性状。这导致了原子的丰富形状和丰富的化学活性，这是复杂生物世界存在的原始基础。
但是只有费米子是构不成物质的，必须有东西把费米子装配起来才能构成物质。说白了，我们还需要费米子之间能够相互作用，而传递这个相互作用的粒子的统称就叫做玻色子。总的来说，物质的基本结构是费米子，而物质之间的基本相互作用却由玻色子来传递。费米子和玻色子，就是我们这个世界存在的微观基础。量子只是一个物理学概念，不是实物。一个事物如果存在最小的、不可分割的基本单位，我们就说它是可量子化的，并把其可分割的最小单位称为量子。所以说，量子并不是具体的实在粒子。