走近量子世界

本期主角：量子

主角英文名：quantum

量子的含義：不可分割的基本個體

最早提出者：普朗克（德國物理學家）

提出時間：1900年

所屬領域：量子物理學

經典力學之父牛頓

量子物理學創始人普朗克

什么是量子

1 7世紀，英國科學家牛頓提出的“牛頓三定律”和“萬有引力定律”，建立了一門全新的學科——經典力學。運用經典力學中的一些理論，人們可以解釋生活中遇到的很多問題，甚至可以計算出太陽何時升起，預計月亮什么時候盈缺。

的確，經典力學可以解決宏觀世界里的很多問題，可放到微觀世界里，就行不通了。譬如一塊大石頭可以被砸成小石塊，小石塊可以被分割成小石粒，小石粒可以被磨成石粉……可到最后，微小的粒子無論如何都不能被分割了。這是怎么回事呢？用經典力學的原理解釋不通。德國科學家普朗克提出的原子論很好地解釋了這一問題：無法分割的物質叫原子，是構成物體的基本單位。構成物體的基本單位是不能被分割的，世界上所有的物質都是由原子構成的。以這一理論為基礎，經過愛因斯坦、玻爾、海森伯等科學家的研究完善，一門解釋與研究微觀世界的學科——量子物理學誕生了。

愛因斯坦在研究光的傳播過程中引進了量子學概念，提出光是一種粒子，即光子，具有波動和粒子的性質，并發現了光電效應，把量子物理學又向前推進了一步。他因此獲得了1 9 2 1年的諾貝爾物理學獎。

量子物理學有什么用

量子物理學看起來好高深啊，在實際生活中有什么用嗎？在現實生活中常見的遙控器、X光片，都運用了量子物理學。這兩種東西看起來不相干，其實它們的原理是相同的——運用了光波的不同頻率。光波就是指光在傳播過程中的振動現象。光波是有能量的，頻率越高，光波的能量就越大。用物理學家的專業術語說，波長越短，能量就大。

L E D燈的發明者是三位日本科學家，他們獲得2 0 1 4年諾貝爾物理學獎

我們眼睛能看到的光叫可見光。可見光的頻率范圍介于紅色光與紫色光之間，其中紅色光的波長最長，能量最低，紫色光的波長最短，量能最高。比紅光能量更低的叫紅外線，利用紅外線，可以制成夜視儀，在黑暗中尋找物體，也可以制成遙控器。比紫光能量更高的是紫外線，人們長時間暴曬在太陽底下，皮膚會被紫外線曬傷。比X射線比紫外線能量更高，穿透力很強，去醫院體檢拍X光片時，用的就是X射線。

另外，激光的使用，L E D（發光二極管）燈和普通計算機的發明，都是量子物理學的運用，給人類的生活帶來了極大的便利。

量子物理學的未來

復印機可以復制文字和圖片，3 D打印技術可以復制房子、汽車甚至人體器官，而被復制的東西不會發生任何改變。在量子世界里，量子是不能被復制的。如果把一個量子的信息全部復制到一堆原材料里，那么被復制的那個量子就會在原來的位置上消失，這就是量子傳輸。科幻電影《星際迷航》中有這樣一個情節——柯克船長和他的部下走進一個房間，一束光打下來，他們就消失了，出現在另一個地方……這個過程就是典型的量子傳輸——通過一臺量子傳輸機，瞬間把他們傳輸到其他地方。事實上，目前的量子傳輸還處于實驗階段。

我國科學家潘建偉和他的團隊通過墨子號通訊衛星，把一對糾纏光子傳輸到1 2 0 0千米以外，是目前量子傳輸最先進的舉動。

量子計算機是未來量子物理學運用的一大趨勢。量子計算機是由美國物理學家費曼在2 0世紀提出來的，但至今還處于實驗階段。和普通的計算機相比，量子計算機的計算速度要快得多。譬如，用超級計算機天河二號通過計算去破解一道密碼需要好幾百年，而量子計算機只要幾秒鐘就可以了。科學家預言，有了量子計算機，真正的人工智能時代才會到來。

“墨子號”量子衛星

問答