量子——科學界的頂流

近年來，“量子”（quantum）成了最熱的科技術語之一。中國在量子領域取得了很多世界領先的成果，例如2016年，中國發射世界第一顆量子科學實驗衛星“墨子號”；2017年，中國開通世界第一條量子保密通信骨干網“京滬干線”；2020年，中國科學技術大學潘建偉院士團隊發布“九章”光量子計算機，后來又在2021年和2023年升級為“九章二號”和“九章三號”。

 中國科學技術大學研發的量子計算機“九章” 

然而在量子大熱的同時，大多數人對它的理解是一團模糊。許多人聽說過“薛定諤的貓”、多世界理論、量子糾纏、愛因斯坦與玻爾的爭論（“上帝不擲骰子”）等，感覺玄而又玄，網上甚至出現了俗語：“遇事不決，量子力學；解釋不通，穿越時空。”

 圖片源自網絡 

更糟糕的是，許多量子“科普”明明是偽科學，但卻通過營造神秘感抓住了流量密碼。例如經常有人說，量子力學讓我們對世界的認識崩塌了；甚至還有人說，量子力學說明了存在鬼魂。曾經有一次，新華社請我給下屬各個單位的科普負責人講如何做科普，講完后有一位聽眾提問：我們是不是應該向網上那些很有神秘主義風格的量子“科普”學習？我回答他：這些不是我們學習的對象，而是斗爭的對象！

當然，量子是個不容易科普的領域，因為它的概念都比較抽象，跟日常生活離得很遠。看到量子這個詞，甚至都沒法猜出這個領域是干什么的。相比之下，其他許多領域就好理解得多。例如新能源，即使不知道光伏、風電等的原理，單從名字就能知道它是新的能源；又如航空航天，完全不需要知道伯努利效應、齊奧爾科夫斯基公式，也能明白這個領域要干的事情。

 2016年9月，“墨子號”量子科學實驗衛星在中國科學院新疆天文臺南山觀測站過境。本圖為多張照片合成，綠色為衛星信標光，紅色為地面望遠鏡與衛星之間的通信光。 

對量子的正確理解

對“量子”最容易產生的想法是：我聽說過電子、質子等粒子，那么量子也是一種粒子嘍？然后很多人會問：它跟電子、質子相比是大是小？每當有人問我這個問題，我都會告訴他們，量子并不是一種粒子。

對量子的正確理解可以分為兩層：

1?? “量子化”指的是不連續的變化，即離散變化

2?? 有個物理學理論叫作量子力學，而量子科技則是指以量子力學為基礎的科技。

如果某個東西只能不連續地變化，也就是說離散地、跳躍地、臺階式地變化，我們就說它是量子化的。如果一個東西是量子化的，我們就把它的最小單元稱為量子。所以對量子的準確定義是：離散變化的最小單元。

這樣的例子其實有很多。上臺階的時候，不可能上半個臺階，這就是量子化。上臺階時，1個臺階就是1個量子。又如統計人數，一個房間里有多少人？不可能出現半個人。統計人數時1個人就是1個量子。又如電影院的座位，你不可能坐在5.5號座，這時1個座位就是1個量子。有人可能會問，哈利·波特去霍格沃茨魔法學校為什么走的是“九又四分之三站臺”？——這正說明它是虛構作品嘛！

 電影中的“九又四分之三站臺” 

以上都是宏觀世界的例子。在微觀世界，量子化更加常見，它也正是微觀世界的一大本質。

例如，氫原子中電子的能量是量子化的，只能取某些分立的值，不可能取到這些值的中間數值，這些分立的能量值叫作能級。具體而言，氫原子中電子的能級是-13.6電子伏特除以n的平方，其中n＝1, 2, 3,…，而電子伏特則是一個能量單位。這些能級并不是等間距的，但確實是量子化的。

由此就決定了，氫原子發出的光的能量只能取某些特定的值，因為它必然等于2個相鄰能級的能量差。這就是原子光譜的來源，我們就是通過這個現象來分析遙遠的恒星中存在哪些元素的。

 原子光譜（圖片源自網絡） 

又如，光是量子化的。一束光其實由很多個光子組成，最少也要有1個光子，否則就沒有光了。一個重要的效應叫作光電效應，是指1個光子打在金屬上就可以把金屬中的1個電子打出去，把光信號轉化成電信號。用手機拍照時，它用來感光的CMOS元件就是基于光電效應而設計的。

 光電效應示意圖（圖片源自網絡） 

量子化是微觀世界的本質現象，是人類歷史上最偉大的發現之一。20世紀初，馬克斯·普朗克（1858～1947）等科學家以此為基礎建立了量子力學。現在，量子力學與相對論被稱為物理學的兩大支柱。

作者簡介

袁嵐峰，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員、科技傳播系副主任，中國科協科普專業研究員，安徽省科協常務委員，科技與戰略風云學會會長，中國青少年新媒體協會常務理事，中國科普作家協會理事，中國物理學會科普工作委員會委員，中國化學會科普工作委員會委員，入選“典贊·2018科普中國”十大科學傳播人物。

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