量子是什么

文／神們自己 圖／圖蟲創意

今年10 月，諾貝爾物理學獎頒發給了三位研究“量子糾纏”的科學家。科技發達的今天，我們對量子這個詞并不陌生，但量子到底是什么呢？

先從一個簡單的現象講起。假設手電筒打出一束光，如果你在近距離對著它看，會覺得刺眼。但如果你在離手電筒幾百米遠的地方看，那就是一個很小的亮點。因為這束光會擴散，距離越遠，它擴散得越大，人眼接收到的光就越少。那么假設你在火星上觀察這個手電筒，你會看到什么？此時，人的肉眼已經看不到了，但可以用儀器來探測。在火星放一排探測器，按正常的邏輯，每個探測器都會接收到一點非常微弱的光。但實際上，這排探測器里可能只有一兩個能接收到光，剩下的什么都沒有發現。而且隨著距離越來越遠，探測器接收到的光的強度會越來越低，不過低到一定程度后，這強度就不會再降低。

現實世界的光，存在一個不可再分的最小單元。而量子，就是微觀世界不可再分的最小單元。光的最小單位就是一個光子，這就是愛因斯坦獲得諾貝爾獎的原因。沒錯，愛因斯坦不是因為相對論得獎的，而是因為他用光子理論完美地解釋了光電效應實驗。

有同學問我：原子是量子嗎？這很難用“是”或“否”來回答。與其說量子是某種物質，不如說量子是所有物質共有的一種屬性。就像我們說“這件衣服是紅色的”，并不是在說“衣服等于紅色”，而是在說衣服具有“紅色”屬性。我們不能說“原子等于量子”，因為原子并非物質世界不可再分的最小單元，它可以分成原子核和電子，原子核內部還有中子和質子。但我們可以說“原子具有量子的屬性”，因為電子繞原子核運動的軌道是量子化的。當我們研究電子軌道時，就必須使用量子力學。

量子有一個神奇的特點：疊加態。我如果說，我在上海，同時我也在北京，你肯定覺得我瘋了。在我們的日常經驗中，一個人的位置不能疊加。不過在微觀世界里，量子的速度、位置、能量都可以疊加。美國人夢露（男）在1996 年用激光冷卻技術使單個鈹離子（約0.1 納米大小）同時處于相距80 納米之遙的兩個位置，并拍下了疊加態照片。

量子力學的研究已經持續100 多年，今天的科技發展，已經完全超越了人類的常識。就像過去發明互聯網的時候，沒有人想到它會把世界變成這個樣子，現在的我們也無法預測，量子時代會是什么樣子。而這樣的一個量子新時代，正在加速到來。