什麼是量子？

量子並不神祕。首先，我們要清楚最基本的幾個概念：

量子不是粒子，量子力學與玄學沒有任何關係，也與神學和唯心主義沒有任何關係。量子力學有一套清晰的數學框架，是描述微觀世界亞原子運行的指導書。量子力學最基本的三個概念就是疊加態、測量，量子糾纏態。

量子是現代物理才有的一個重要概念。最早是由普朗克提出的，用於描述自然界規律的基本單位。量子，其實是一個數學概念，是“離散變化的最小的單元”。

一個物理量，如果存在最小的不可分割的單位，那麼我們就說這個物理量是量子化的。簡單的說，量子是能表現出某物質或物理量特性的最小單元。量子力學就證明了宇宙中不可能存在無限小的東西。哲學上的不能解決的終極問題，就這樣被科學所解決了。

那麼，量子的概念是如何產生的呢？1900年10月，由於普朗克解釋黑體輻射現象，將維恩定律加以改良，又將玻爾茲曼熵公式重新詮釋，得出了一個與實驗數據完全吻合普朗克公式來描述黑體輻射。

普朗克提出能與觀測結果很好地符合的簡單公式，實驗物理學家相信其中必定蘊藏著一個尚未被揭示出來的科學原理

普朗克從導出的黑體輻射公式中，成功定義了普朗克常數，並把以量子方式進行的電磁輻射波動的每個量子稱為作用量子。量子成功解決了黑體輻射的實驗現象。

之後，愛因斯坦又運用光量子解決了光電效應（光電效應，是物理學中一個重要現象。在高於某特定頻率的電磁波照射下，某些物質內部的電子會被光子激發出來而形成電流，即光生電。光電現象由德國物理學家赫茲於1887年發現，而正確的解釋為愛因斯坦所提出。科學家們在研究光電效應的過程中，物理學者對光子的量子性質有了更加深入的瞭解，這對波粒二象性概念的提出有重大影響。）的實驗規律，因為這一重大的科學貢獻，諾貝爾物理學獎被頒給了愛因斯坦。

到了21世紀，量子力學還鑄成了諸多高科技成果。例如半導體和超導現象等等。

再到後面就是熟知的量子通信。不過量子通信和傳統的量子理論還是有所區別的。其背後的量子密鑰分發可以建立安全的通信密碼, 通過一次一密的加密方式可以實現點對點方式的安全經典通信. 這裡的安全性是在數學上已經獲得嚴格證明的安全性,，這是經典通信的方式迄今為止做不到的。

我們憑什麼說經典物理不能真正描述我們的世界呢?

主要的原因來自實驗。

量子理論不是理論家們加在我們身上的預言，大多數理論家是被無可奈何地被趕到這一個在哲學的許多方面不滿意的、奇怪的世界觀上去。其根本的原因在於兩種物理現象必須共存:

粒子，每一粒子只由很少的有限數目(6)的參數(3個位置和3個動量)來描述;

還有場，它需要無限多的參數來描。

在粒子和場處於平衡的系統中，所有粒子的能量都會被場抽走。(即″能量均分"現象的結果:系統處於平衡時，能量被公平地分佈在所有的自由度上。由於場具有無限多自由度，所以根本就沒有給可憐的粒子留下任何能量!)

尤其是，經典原子不能是穩定的，粒子的所有運動都轉移到場的波動模式中去。

另一種場和粒子不能共存的不穩定性的呈現是″黑體輻射″現象。(具有某個確定溫度的物體，電磁輻射和粒子處於平衡態，所有能量都會被場吸光一一沒有極限!

這些迷惑如何得到解決?

1900年，才氣橫縊的、但又保守謹慎的普郎克提出了一個革命性的思想用以壓制"黑體"的高頻率的模式:

電磁振動只能以"量子"的形式發生，量子的能量E和頻率v之間有一確定的關係

E=hv

h為一自然的基本常數(現被稱為普郎克常數，約為6.6ⅹ10^-34焦耳秒)，令人歎為觀止的是，普郎克利用這個"荒謬絕倫"的因素，能夠在理論上得到和觀察一致的作為頻率函數的強度(普郎克輻射定律)。普郎克憑此壯舉揭示了量子理論光臨的曙光。

某些實驗事實很清楚地顯示光是粒子，而另一些事實則指出光為波動。

1923年，富有洞察力的德布羅意提出物體的粒子本身有時應像波動那樣行為!任何質量為m的粒子的頻率v也滿足普郎克關係式。這與愛因斯坦的E=mc²相結合:

hⅴ=E=mc²

1913年，玻爾再次極其漂亮地利用了普郎克關係。一個繞核公轉的電子角動量只能為h′/2π的整數倍(即玻爾規則)。後來狄拉克為了省事引進了符號h′:

這樣，繞著任何軸的角動量的可允許值為:

玻爾漂亮的設想雖然極其成功，卻只是提供了稱之為″舊量子論"的某種臨時"湊合物"的理論。

我們今天所知道的量子理論是由後來的兩套獨立的方案產生的。一位是海森堡(矩陣力學)，另一位是薛定諤(波動力學)。

在初始時上述兩套方案顯得完全不同，但很快被狄拉克發現它們是等同的，並且很快就被狄垃克包攝到一個更合理、更一般的框架中去。

雙縫實驗

我們來考慮一"原型的"量子力學實驗:

一束電子或光或其他種類的"粒子-波"通過雙窄縫射到後面的屏幕上(如上圖所示)。

為了確定起見，我們用光做實驗。按照通常的命名法，光量子稱為"光子"。光作為粒子(即光子)的呈現最清楚地發生在屏幕上。光以分立的定域性的能量單位到達那裡，這能量按照普郎克公式E=hⅴ恆定地和頻率相關。從未接收到"半個"(或任何部分)光子的能量。光接收是以光子單位的完全有或完全沒有的現象。只有整數個光子才被觀察到。

然而，光子通過縫隙時似乎產生了類似波動的行為。先假定只有一條縫是開的。光通過該縫後就被散開來，這是被稱作光衍射的波動傳播的一個特徵。但是，這些對於粒子的圖像仍是成立的。可以想象縫隙的邊緣附近的某種影響使光子隨機地偏折到兩邊去。當相當強的光子(大量的)通過縫隙時，屏幕上的亮度顯得非常均勻。但是如果降低光強度，則其亮度分佈由單獨的斑點組成(和粒子圖像相一致)

(為了比較，一個60瓦的電燈泡每秒鐘大約發射10^20個光子)

然而，當我們打開另一條縫隙時就出現了粒子圖像的關鍵問題!

假設光子是來自於一個黃色的鈉燈(單色的)，此處波長約為5x10^-7m，縫隙寬約0.001mm，而且兩縫隙相距0.15mm左右，屏幕大概在1m那麼遠。在相當強的光源照射下，我們仍然得到了規則的亮度模式。但是現在我們在屏幕中心附近可看到大約3mm寬的干涉模式的條紋的波動形狀:

量子水平就是分子、原子及次原子粒子的水平。這通常被認為是非常″小尺度"現象的水平，但是這個″小"實際上並非是指物理尺度。我們將會看到量子效應能在許多米甚至一光年的距離上發生。如果認為只牽涉到非常小的能量差，這才有點接近於認為某種東西是"處於量子水平上"的特徵。

單就量子這個詞，意思是一份兒一份兒的。

注意量子不是粒子，是一種現象。指的是能級分裂的現象。

比如月球繞著地球轉，月球在地球引力作用下有勢能。這個勢能與月地距離有關係，隨著距離連續變化的。

電子繞著原子核轉也有勢能，這個勢能居然不是連續變化的，而是類似像有臺階的一級一級變化的。量子說的就是這個現象。

往深了說這個現象背後的本質的話，如果不刨根問底的回答可以說是解薛定諤方程解出來的，並且與實驗複合的結果。刨根問底的話，我也不是很清楚。但我知道的一些量子現象的發生實際上總是和拓撲有千絲萬縷的聯繫。可以形象的拿現實生活中的皮筋舉例子。比如頭尾固定的皮筋發生震動。或者說，駐波。它只會是形狀像橫躺著的0或者橫躺著的8或者橫躺著的3個0，4個0等等，這種，整數個0的震動。它不會有形狀剛好像一個半個0這種的，因為頭尾固定了。這就意味著頭尾固定的皮筋上的可能的駐波的頻率不是連續變化的。

量子其實有點像一個單位，，就好像你有一百塊錢是一堆紙幣和硬幣，那麼你可以從裡面取出0.11111元來嗎？肯定不行因為硬幣和紙幣最小的面值就是一毛，你不能在繼續往下取了，如果你把這一百塊錢換成能量那麼量子就相當於一毛硬幣 如說一個物體放出了100焦的能量，按照常識我們會很自然的覺得，你可以找到這個物體放出任意能量的時刻，只要小於100焦就可以了，比如你肯定認為可以找到該物體在某一刻放出了0.1111焦（任意的應該數，）量子物理告訴你這是不對的最小的一毛硬幣就相當於一個量子

非專業，以我的經典物理學常識，大概不能說清楚什麼是量子。原子核，電子之下物質構成的不可分割的最基本粒子？聽說過能量子，光子，量子力學，量子通信這些詞彙，就是不太懂，看來還得學習。