微观世界|“量子”到底是什么?它颠覆了我们太多的传统认知!


微观世界|“量子”到底是什么?它颠覆了我们太多的传统认知!
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微观世界|“量子”到底是什么?它颠覆了我们太多的传统认知!
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微观世界|“量子”到底是什么?它颠覆了我们太多的传统认知!
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如果你是科学爱好者 , 一定会非常熟悉“量子”的概念!甚至可以这样说 , 即使你对科学毫无兴趣 , 生活中也会听说过“量子”这个词语 。 “量子”已经与我们的生活息息相关 , 也成为高科技的代表 , 成为很多人茶余饭后的谈资 。
但究竟什么是“量子”?它是一种基本粒子吗?这样的问题恐怕需要一定的物理学知识才能解答 , 否则很容易望文生义 , 误解了“量子”的本意 。
单从字面上来看 , 量子似乎与分子 , 原子 , 质子 , 中子 , 电子等一样都是微观粒子 , 事实上并不是这样的 , 量子并不是一种微观粒子!
那么量子到底是什么呢?简单说 , 量子是一种物理概念 , 并不是具体的物体 。 物理学是这样定义的 , 量子似乎一个物理量上存在最小的不可分割的基本单位 , 如果一个物理量存在这样的单位 , 我们就称这个物理量是可以量子化的 , 这个不可分割的最小的单位就被称为“量子” 。
用一个宏观例子能更通俗地理解量子的概念 。 假如全体人类就是一个物理量 , 那么我们每个人就是不可分割的最小单位 , 你我都是量子 , 因为一个人不可能再进行分割 , 强行分割也就不是人了!
还有我们平时使用最多的现金 , 如果现金是一个物理量 , 那么一分钱就是不可分割的单位 , 也就是量子 , 因为一分钱不可分割 , 半分钱是没有意义的!
如此通俗地解释过后 , 相信很多人对量子的概念都有了更深的认知 。 但事实上远非如此 , 量子的定义很好理解 , 但与量子有关的概念很难让人理解 , 因为量子的相关概念完全颠覆了我们在宏观世界的认知 。
在我们生活的宏观世界 , 我们观察到的任何变化都是连续的 , 比如一辆汽车从你身边呼啸而过 , 汽车与你的距离是连续变化的 , 同时汽车的速度也是连续变化的 。 还有一颗小树苗长成参天大树也是连续变化的 , 不可能跳跃式生长 。
但在微观世界(量子世界) , 一切变得如此诡异 , 因为量子概念的存在 , 量子世界是不连续的 , 物理量的变化是离散的 , 跳跃式的 。 最常见的例子就是电子跃迁 。 电子在原子核外层规范随机出现 , 但这种随机也是受约束的 , 并不是随意出现在任何地方 , 而是按特定的轨道出现的 , 只能从一个轨道直接跃迁到另一个轨道 , 而不能出现在两个轨道之间 。 也就是说 , 电子是从一个轨道直接“瞬移”到另一个轨道的 , 中间没有过程速度之说 。
如果电子的这种行为出现在宏观世界 , 你就知道有多诡异了 。 就好比你在客厅看电视 , 你妈妈在厨房做饭 , 突然你妈妈出现在你面前 , 没有任何走动的过程 , 你是不是会被吓破胆?
我们经常所说的光子其实是“光量子”的简称 , 因为光也是可以量子化的物理量 , 光子就是光的最小单位 , 光在传递的过程中也不是连续的 , 而是一份一份的 。 而光其实就是能量 , 这意味着能量也是离散的 , 并不是连续的 。
量子有以下重要基本特征 。
第一 , 量子叠加 。 在我们生活的宏观世界 , 任何物体都只可能有一种状态 , 比如说你在玩电脑 , 你只可能在电脑前 , 不可能再出现在其他地方 , 这是一个基本生活常识 。
但在量子世界 , 一切都完全不同 , 一个量子可以同时拥有多种状态 , 同时出现在不同的地方 。 而一旦我们想要观察看看量子究竟处于什么状态 , 量子马上就坍缩为其中一种状态 , 从不确定性坍缩为确定性 。
这就好比在宏观世界 , 你既可以在家里看电视 , 同时也可以在学校上课 , 还可以在网吧玩游戏 。 如何确定你的状态呢?只有去观测 , 一旦实施观测 , 你的状态就确定了!
量子的这种特性如此诡异 , 难怪爱因斯坦会如此反驳波尔:不看月亮是它就不在那里吗?
在宏观世界当然不可能(其实也是有可能的 , 但可能性太小太小了 , 完全可以忽略不计) , 但在微观世界这种现象到处可见 。
在微观世界 , 正是因为量子叠加的存在 , 量子可以同时处理多个事件 , 而利用量子的这种特性可以大大提升计算机的计算速度 , 这也是量子计算机的颠覆性所在 。