第一讲：量子究竟是什么？

量子是什么？可能是每一个人听到这个词的第一反应。许多人在“不明觉厉”的同时将其归结成某种粒子。我们知道构成物质的最小单元是基本粒子，比如分子、原子，原子又由原子核与电子组成，原子核又分质子和中子。那么量子究竟是什么呢？难道是比原子、电子更小的粒子吗？

量子，没有大小之分，它是一个物理概念，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。

如果用数学概念来理解量子呢？那就是“离散变化的最小单元”。

什么叫“离散变化”？我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人。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。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说，一个人就是一个量子。对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是“量子化”的。

 在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。

量子最早是由德国物理学家普朗克在1900年提出来的，用来解决困惑物理界的“紫外灾难”问题。普朗克假定，光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的，而是一份一份的，一份“能量”就是所谓量子。就这样，“量子论”宣告诞生。

但当时的物理界，包括普朗克本人，都讨厌“量子”这个怪物，千方百计想要将它消化在经典物理的世界之中，但却屡试不果。1905年，爱因斯坦独具慧眼，他认为光辐射不仅在于与物质相互作用时的能量是一份一份的，光辐射的能量，本身就是“量子化”的，一份能量就是光能量的最小单元，后来称之为“光量子”，或简称“光子”。他还成功用这样一个公式解释了光电效应，从而获得了诺贝尔物理学奖。

1913年，玻尔创造性的把量子概念应用于氢原子系统，提出原子中的电子只能存在于具有分立能量的定态上，并且电子在不同能量定态之间的跃迁是非连续的。这样完美回答了氢原子稳定存在的原因，而且还成功地解释了氢原子和类氢原子的光谱现象。

1924年，法国年轻的博士生德布罗意在爱因斯坦“光子”概念的启发下提出：既然看似波动的光辐射，具有“粒子”特性，那么像电子这类看似“粒子”的物质，也应具有波动性。这就是“德布罗意物质波”的概念，由此引发后面大量理论与实验研究，证实所有微观粒子都同时具有波动性和粒子性二象性。

1925年7月，海森伯注意到玻尔理论中的电子轨道、旋转频率等物理量在真实的实验中是无法测量的，真正能够被测量到的是原子光谱的频率、强度等物理量。海森伯决定从经验出发，用可以被确实感知的物理量来描述量子理论。他引入数学矩阵工具，进而诞生了量子力学的第一套数学形式：矩阵力学。

1925年末，薛定谔仔细研究了德布罗意的论文，按照德布罗意的想法，每个粒子都伴随着一个波，波和粒子同时存在。但薛定谔致力寻求理论上的统一，认为物质的本质就是波，所谓“电子”之类的概念只不过是物质波的某些运动给我们造成的错觉。薛定谔进一步在德布罗意给出的能量、动量条件的基础上推出了物质波的波动方程。由此发展出了量子力学的第二套数学形式：波动力学。

1926年下旬，看上去迥然不同的矩阵力学和波动力学很快被证明在数学上是等价的。薛定谔首先证明了波动力学与矩阵力学的等价性，之后，狄拉克进一步通过变换理论把两者统一起来。至此，量子力学的理论体系被创建完成。

此后，量子理论不断被验证和完善。

随着科学技术的发展，人们认识到“量子世界”不仅限于微观和单个粒子，某些宏观尺度下的多粒子系统也遵从量子力学规律。例如当原子聚合的温度足够低时，所有处于不同状态的原子，会突然聚集在同一个尽可能低的能量状态上，其行为就像一个“放大”的“原子”，遵从量子力学规律，这就是玻色-爱因斯坦凝聚。

人们按物理运动规律的不同，将遵从经典运动规律（牛顿力学，电磁场理论）的那些物质所构成的世界称为“经典世界”，将遵从量子力学规律的那类物质所构成的世界称为“量子世界”。“量子”就是量子世界中物质客体的总称，它既可以是光子、电子、原子、基本粒子等微观粒子，也可以是超导体等宏观的量子系统，它们的共同特征就是必须遵从量子力学的规律。

“量子”与“经典”本质区别在哪呢？经典世界的特点是物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的，即经典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。但量子世界中，客体的物理量则是不确定的、概率性的，而且这种不确定性与实验技术无关，是量子世界的本质特征，无法消除。这个特征就是量子力学中重要的量子态叠加态。

从步入量子时代以来，越来越多的人投入到量子力学的应用研究中，基于量子规律的新技术也不断涌现，这些深深地改变了人类的生活，那么量子技术有哪些具体应用呢？敬请期待下回分解哦~