量子不是粒子，更不是不可分割的最小粒子

合集 · 解读科技问题 (79)

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近年来，“量子”（quantum）成了最热的科技术语之一。	然而在量子大热的同时，大多数人对它的理解是一团模糊。许多人听说过薛定谔的猫、多世界理论、量子纠缠、爱因斯坦与玻尔的争论（“上帝不掷骰子”）等等，感觉特别的玄而又玄。甚至出现了这样的俗语：“遇事不决，量子力学。解释不通，穿越时空。”
	这些还算好的，更糟糕的是有许多所谓的量子科普其实是伪科学，它们在胡说八道的同时抓住了流量密码，就是营造神秘感。例如经常有人神神叨叨地说，量子力学让我们对世界的认识崩塌了。甚至还有人说，量子力学说明世界上存在鬼魂。可悲的是，越是这样的作品收获的关注越多。
	曾经有一次新华社请我去讲课，给新华社下属各个单位的科普负责人讲讲如何做科普。我讲完之后有一位听众提问，他问：我们是不是应该向网上那些量子科普学习，他们把量子讲得很有神秘主义的风格，十分吸引眼球？我不得不回答他：这些不是我们学习的对象，而是斗争的对象！
	当然，我也理解量子是个相当不容易科普的领域，因为它的概念都比较抽象，跟日常生活离得很远。最基本的，看到量子这个词，你甚至都没法猜出这个领域是干什么的。
	相比之下，其他许多领域就好理解得多，你即使不明白它的原理，但很容易明白它的效果。例如新能源，即使你不知道光伏、风电等等的原理，你单从新能源这个名字就能知道它是……新的能源。又如航空航天，你完全不需要知道伯努利原理、齐奥尔科夫斯基公式，就能明白这个领域干的事情是……航空航天。但“量子”是干什么的？？？这就完全没法望文生义了。这就是量子领域一个基本的特点。
	实际上，对“量子”这个词最容易产生的想法是：我听说过电子（electron）、质子（proton）、中子（neutron）等粒子，那么量子也是一种粒子喽？然后很多人立刻就会来问我：它跟电子、质子、中子相比是大是小？
	每当有人这么来问我，我都会立刻告诉他们，这种想法是完全错误的，量子并不是一种粒子。如果你理解这一点，你的知识水平就超过了90%的人。
	那么量子究竟是什么呢？对它的正确理解可以分为两层：一，“量子化”（quantized）指的是不连续（discontinuous）的变化，即离散（discrete）变化；二，有个物理学理论叫做量子力学（quantum mechanics），量子科技指的是以量子力学为基础的科技。下面我们来解释一下。
	首先，“量子化”这个词其实比“量子”容易理解。如果某个东西只能不连续地变化，也就是说离散地、跳跃地、台阶式地变化，我们就说它是量子化的。如果一个东西是量子化的，我们就把它的最小单元称为量子。所以对量子的准确定义是：离散变化的最小单元。
	仔细来想想这话是什么意思。有什么东西只能不连续地变化？这样的例子其实有很多。例如前边我们已经提到了“台阶式的”，上台阶就是个明显的例子。上台阶的时候，你只能上一个台阶、两个台阶、三个台阶，而不可能上半个台阶。这就是量子化，上台阶时一个台阶就是一个量子。
	又如统计人数，一个房间里有多少人？可能有一个人、两个人、三个人，但不可能出现半个人。这也是量子化，统计人数时一个人就是一个量子。
	又如电影院的座位，你可能坐在5号座或6号座，但不可能坐在5.5号座，——因为不存在这个座位。这也是量子化，这时一个座位就是一个量子。
	有人可能会问了，哈利·波特去霍格维茨魔法学校为什么走的是“九又四分之三月台”？——这正说明它是虚构作品嘛！
	以上举的都是宏观世界的例子，而在微观世界，量子化就更加常见。实际上，量子化正是微观世界的一大本质。
	例如，氢原子中电子的能量是量子化的，它只能取某些分立的值，不可能取到这些值的中间数值，这些分立的能量值叫做能级（energy level）。具体而言，氢原子中电子的能级是-13.6电子伏特（electron volt，简称eV）除以n的平方，n = 1, 2, 3, 4等等，电子伏特是一个能量单位。这些能级并不是等间距的，但确实是量子化的。
	由此就决定了，氢原子发出的光的能量只能取某些特定的值，因为它必然等于两个能级的能量差。这就是原子光谱（atomic spectrum）的来源，我们就是通过这个现象识别远处的恒星中有哪些元素的。
	又如，光是量子化的。一束光其实是由很多个光子（photon）组成的，最少也要有一个光子，否则就没有光了。有一个重要的效应叫做光电效应（photoelectric effect），是指一个光子打在金属上就可以把金属中的一个电子打出去，把光信号转化成电信号。大家用手机拍照时，CMOS图像传感器就是以光电效应为基础的。