量子力学到底是什么？其实早已在你身边

科技日报记者 吴长锋

一提起“量子”，理论生涩拗口，完全超乎常人的生活经验，有些媒体将“量子”讲得玄而又玄、莫名其妙，让人产生一种不明觉厉的神秘感，“量子”实在太难以理解了！那么，最基本的问题是，“量子”究竟是什么？

请不要误解，“量子”其实不是“子”

许多人一听到量子，第一反应就是把它理解成某种粒子。人们都知道物质是由原子组成的，原子是由原子核与电子组成的，原子核是由质子和中子组成的。那么量子究竟是个什么粒子？它跟电子、质子、中子相比是大是小呢？

其实这是个误解。 量子的原本是一个物理学概念。一个事物如果存在最小的不可分割的基本单位，我们就说它是量子化的，并把最小单位称为量子，并不是具体的实在粒子。

例如，统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人。上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶。所以对于统计人数来说，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。

按照同样的道理，电子最初是在阴极射线中发现的，电子就是阴极射线的量子。同样的，光子是光的量子。一束光至少也要有一个光子，否则就没有光了。

这些例子是物质组成的量子化。还有一类，是物理量的量子化。假如你驾驶着一辆“量子汽车”，你只能以5千米/时、20千米/时或80千米/时的速度行驶，在它们之间的速度是不允许的。换挡的时候，你突然就从5千米/时跳到了20千米/时。速度的变化是瞬间发生的，你几乎觉察不到加速的过程。这可以叫速度的“量子化”。

事实上，在每一种原子和分子中，电子的能量都是量子化的。不只是能量，还有电荷、磁矩、角动量等许多性质，也是量子化的。

物质组成的量子化和物理量的量子化，都说明量子化是微观世界的本质特征。这就是“量子力学”这个词的由来，是描述微观世界的基础理论。在量子力学出现后，人们就把传统的牛顿力学称为“经典力学”。

与光的邂逅，量子是怎样被提出的？

量子力学很新奇，但却是个很古老的理论——诞生已经超过一个世纪了！

量子概念的提出始于普朗克发现了黑体辐射的不连续性不能通过经典力学来解释。通俗一点说，就是一个完全黑的东西会吸收一切光线。但是光被黑体吸收不是连续的。因为人们一开始不知道光是由光子构成的，所以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。这种特性被称之为“量子化”。换言之，在量子世界里，任何物质都是由一个最基本，不可再分的单位构成，而这个最基本的单位就是这个物质的量子。这个伟大的发现开启了通往量子世界的大门。它的发现者——德国科学家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。光电效应可称为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。

什么是光电效应？简单地说，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。

这是一种特别稀奇的物理学现象，因为这种现象的发生取决于光的频率。这很难让人理解！因为在牛顿的经典力学中，能量是连续的。比如，要把一个大水缸装满水，你用大脸盆一盆一盆地往里倒水，可以把水缸装满；你用小水杯一杯一杯地接水，也可以把水缸装满。但现在光电效应实验告诉我们，你用大脸盆可以把水缸装满，但是用小水杯就不行。

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。

此后，爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克、泡利、玻恩等人都做出了很大的贡献，这些人都因此得到了诺贝尔奖。爱因斯坦得诺贝尔奖是因为量子力学，而不是因为相对论！

到1930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。

无所不在，量子力学能用来干什么？

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发现，在微观世界中，里面很多微小的粒子并不是一成不变的，其中比较重要奇特的一个性质就是粒子自旋，这与地球自转是差不多。物理学家将不同自旋的粒子分别分成了两种。一种自旋是整数被称为玻色子，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。

打比方来说，玻色子就像一种带着一定弹性的粒子，它们同时进入一个小盒子里面，不会把盒子装满也不会有什么阻力，只要不断进行这个动作就可以了。费米子有着比较强烈的排外，即使是同类也一样，假如它们有了自己的空间就不会让其他的费米子靠近自己，把费米子放在一个盒子里面，它们最终会将盒子填满。

玻色子让人们知晓了作用力的相互传递。而费米子的排列规律对于世界有着比较深远的影响，甚至于化学这门重要学科也因此建立，至今依旧发挥着比较重要的作用。

那么，量子力学能用来干什么？事实上，许多最基本的问题，是量子力学出现后才得以回答的。

比如，为什么原子中的电子不会落到原子核上？因为原子中电子的能量是量子化的，有个最低值。如果电子落到原子核上，能量就变成负无穷，低于这个值了，所以它不能掉下去。

再比如，为什么物质会有硬度？因为量子力学有一条基本原理叫做泡利不相容原理，说的是两个费米子不能处于同一个量子态。这条原理决定了，当两个原子靠得太近时，就会产生一种强烈的排斥，阻止两个电子落到相同的状态。

现实中，为什么有些物质能导电，例如铜和铝？为什么有些物质不导电，例如木头和塑料？为什么又有些物质是半导体，例如硅和锗？为什么还有些物质是超导体，例如低温下的水银？

量子力学发展出了一套理论，可以明确地解释和预测哪些物质会导电，哪些物质不导电。叫做“能带理论”。在这个意义上，所有的电器都用到了量子力学！

量子力学不但能用来解释自然界已有的现象，还能用来发明自然界没有的现象。例如，激光器和发光二极管都是根据量子力学的原理设计出来的。

现代社会几乎所有的技术成就，都离不开量子力学。当你打开一个电器，导电性是由量子力学解释的，电源、芯片、存储器、显示器等器件的工作原理都来自量子力学。当你走进一个房间，钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶等材料的性质都是基于量子力学的。你登上飞机、汽车、轮船，发动机的燃烧过程是由量子力学决定的。研制新的化学工艺、新材料、新药等等，都离不开量子力学。