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这是个很有意思的问题。看到“量子”这个词，许多人在“不明觉厉”之余，第一反应就是把它理解成某种粒子。但是只要是上过中学的人，都知道我们日常见到的物质是由原子组成的，原子又是由原子核与电子组成的，原子核是由质子和中子组成的。那么问题来了，量子究竟是个什么鬼？难道是比原子、电子更小的粒子吗？ 其实不是。量子跟原子、电子根本不能比较大小，因为它的本意是一个数学概念。好比说“5”是一个数字，“3个苹果”是一个实物，你问“5”和“3个苹果”哪个大，这让人怎么回答？正确的回答只能是：它们不是同一范畴的概念，无法比较。 那么，量子这个数学概念的意思究竟是什么呢？就是“离散变化的最小单元”。 举个例子。我们上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶、1/3 个台阶。这就是“离散变化”，对于上台阶这件事来说，一个台阶就是一个量子。 跟“离散变化”相对的叫做“连续变化”。例如你在一段平路上，你可以走到1米的位置，也可以走到1.1米的位置，也可以走到1.11米的位置，如此等等，中间任何一个距离都可以走到，这就是“连续变化”。 显然，离散变化和连续变化在日常生活中都大量存在，这两个概念本身都很容易理解，没有什么特别之处。那么，为什么“量子”这个词会变得如此重要呢？ 因为人们发现，离散变化是微观世界的一个本质特征。 微观世界中的离散变化可以分为两类，一类是物质组成的离散变化，一类是物理量的离散变化。 先来看第一类。例如光是由一个个光子组成的，你不能分出半个光子、1/3个光子，所以光子就是光的量子。阴极射线是由一个个电子组成的，你不能分出半个电子、1/3个电子，所以电子就是阴极射线的量子。 在这种情况下，你似乎可以拿量子去跟原子、电子比较了，但这并没有多大意义，因为它是随你的问题而变的。你需要分清，原子、电子、质子、中子、中微子这些词本身就对应某些粒子，而量子这个词在不同的语境下对应不同的粒子（如果它对应粒子的话）。并没有某种粒子专门叫做“量子”！ 再来看第二类。例如氢原子中电子的能量只能取-13.6 eV（eV 是“电子伏特”，一种能量单位）或者它的1/4、1/9、1/16 等等，总之是这个值除以某个自然数的平方（-13.6/n^2 eV，n可以取1、2、3、4、5等等），而不能取-13.6 eV的2 倍、1/2 或1/3等等。这时我们不好说氢原子中电子能量的量子是什么，但会说氢原子中电子的能量是“量子化”的。 说某个东西是量子化的，意思就是这个东西只能离散变化。这是一种普遍现象，每一种原子中电子的能量都是量子化的，也就是说它只能取某些值，不能取这些值之间的值。 发现“离散变化是微观世界的一个本质特征”后，科学家创立了一门准确描述微观世界的物理学理论，就是“量子力学”。现在你可以明白，这个名称是怎么来的，它其实是为了强调离散变化在微观世界中的普遍性。量子力学出现后，人们把传统的牛顿力学称为经典力学。 对普通民众来说，量子力学听起来似乎很前沿。但对相关专业（物理、化学）的研究者来说，量子力学的相关发展已经超过了一个世纪。 量子力学起源于1900 年，当普朗克在研究“黑体辐射”问题时，发现必须把辐射携带的能量当作离散变化的，才能推出跟实验一致的公式。在此基础上，爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等人提出了一个又一个新概念，大大扩展了量子力学的应用范围。到20 世纪20 年代末，量子力学的理论大厦已基本建立起来，能够对微观世界的很多现象作出定量描述了。 许多最基本的问题，是量子力学出现后才能回答的。例如： 为什么原子能保持稳定，例如氢原子中的电子不落到原子核上？ 为什么原子能形成分子，例如两个氢原子聚成氢气分子？ 为什么原子有不同的组合方式，例如碳原子能组合成石墨、金刚石、足球烯、碳纳米管、石墨烯？为什么食盐会形成离子晶体？ 为什么有些物质很稳定，而有些物质很容易发生化学反应？ 为什么有些物质，如铜，能导电？有些物质，如塑料，不导电？为什么有些物质如硅，是半导体？为什么有些物质，如水银，在低温下变成超导体？ 为什么会有相变，例如水在0℃以下结冰，0 ～100℃是液体，100℃以上气化？ 为什么改变钢铁的组成，能制造出各种特种钢？ 为什么激光器和发光二极管能够发光？ 为什么化学家能合成比大自然原有物质种类多得多的新物质？ 为什么通过观察宇宙中的光谱线能知道远处星球的元素组成？ 现代社会硕果累累的技术成就，几乎全都与量子力学有关。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、显示器的工作原理是基于量子力学的。走进一个房间，钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶的性质是由量子力学决定的。登上飞机、轮船、汽车，燃料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，都离不开量子力学。可以这么说：与其问量子力学能用来干什么，不如问它不能干什么！ |
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