量子是什么？可能是每一個人聽到這個詞的第一反應(yīng)。許多人在“不明覺厲”的同時將其歸結(jié)成某種粒子。我們知道構(gòu)成物質(zhì)的最小單元是基本粒子，比如分子、原子，原子又由原子核與電子組成，原子核又分質(zhì)子和中子。那么量子究竟是什么呢？難道是比原子、電子更小的粒子嗎？

量子，沒有大小之分，它是一個物理概念，一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。

如果用數(shù)學(xué)概念來理解量子呢？那就是“離散變化的最小單元”。

什么叫“離散變化”？我們統(tǒng)計人數(shù)時，可以有一個人、兩個人，但不可能有半個人。我們上臺階時，只能上一個臺階、兩個臺階，而不能上半個臺階。這些就是“離散變化”。對于統(tǒng)計人數(shù)來說，一個人就是一個量子。對于上臺階來說，一個臺階就是一個量子。如果某個東西只能離散變化，我們就說它是“量子化”的。

 在發(fā)現(xiàn)離散變化是微觀世界的一個本質(zhì)特征后，科學(xué)家創(chuàng)立了一門準(zhǔn)確描述微觀世界的物理學(xué)理論，就是“量子力學(xué)”?，F(xiàn)在你可以明白，這個名稱是怎么來的，它其實是為了強調(diào)離散變化在微觀世界中的普遍性。

量子最早是由德國物理學(xué)家普朗克在1900年提出來的，用來解決困惑物理界的“紫外災(zāi)難”問題。普朗克假定，光輻射與物質(zhì)相互作用時其能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，一份“能量”就是所謂量子。就這樣，“量子論”宣告誕生。

但當(dāng)時的物理界，包括普朗克本人，都討厭“量子”這個怪物，千方百計想要將它消化在經(jīng)典物理的世界之中，但卻屢試不果。1905年，愛因斯坦獨具慧眼，他認(rèn)為光輻射不僅在于與物質(zhì)相互作用時的能量是一份一份的，光輻射的能量，本身就是“量子化”的，一份能量就是光能量的最小單元，后來稱之為“光量子”，或簡稱“光子”。他還成功用這樣一個公式解釋了光電效應(yīng)，從而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

1913年，玻爾創(chuàng)造性的把量子概念應(yīng)用于氫原子系統(tǒng)，提出原子中的電子只能存在于具有分立能量的定態(tài)上，并且電子在不同能量定態(tài)之間的躍遷是非連續(xù)的。這樣完美回答了氫原子穩(wěn)定存在的原因，而且還成功地解釋了氫原子和類氫原子的光譜現(xiàn)象。

1924年，法國年輕的博士生德布羅意在愛因斯坦“光子”概念的啟發(fā)下提出：既然看似波動的光輻射，具有“粒子”特性，那么像電子這類看似“粒子”的物質(zhì)，也應(yīng)具有波動性。這就是“德布羅意物質(zhì)波”的概念，由此引發(fā)后面大量理論與實驗研究，證實所有微觀粒子都同時具有波動性和粒子性二象性。

1925年7月，海森伯注意到玻爾理論中的電子軌道、旋轉(zhuǎn)頻率等物理量在真實的實驗中是無法測量的，真正能夠被測量到的是原子光譜的頻率、強度等物理量。海森伯決定從經(jīng)驗出發(fā)，用可以被確實感知的物理量來描述量子理論。他引入數(shù)學(xué)矩陣工具，進而誕生了量子力學(xué)的第一套數(shù)學(xué)形式：矩陣力學(xué)。

1925年末，薛定諤仔細(xì)研究了德布羅意的論文，按照德布羅意的想法，每個粒子都伴隨著一個波，波和粒子同時存在。但薛定諤致力尋求理論上的統(tǒng)一，認(rèn)為物質(zhì)的本質(zhì)就是波，所謂“電子”之類的概念只不過是物質(zhì)波的某些運動給我們造成的錯覺。薛定諤進一步在德布羅意給出的能量、動量條件的基礎(chǔ)上推出了物質(zhì)波的波動方程。由此發(fā)展出了量子力學(xué)的第二套數(shù)學(xué)形式：波動力學(xué)。

1926年下旬，看上去迥然不同的矩陣力學(xué)和波動力學(xué)很快被證明在數(shù)學(xué)上是等價的。薛定諤首先證明了波動力學(xué)與矩陣力學(xué)的等價性，之后，狄拉克進一步通過變換理論把兩者統(tǒng)一起來。至此，量子力學(xué)的理論體系被創(chuàng)建完成。

此后，量子理論不斷被驗證和完善。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們認(rèn)識到“量子世界”不僅限于微觀和單個粒子，某些宏觀尺度下的多粒子系統(tǒng)也遵從量子力學(xué)規(guī)律。例如當(dāng)原子聚合的溫度足夠低時，所有處于不同狀態(tài)的原子，會突然聚集在同一個盡可能低的能量狀態(tài)上，其行為就像一個“放大”的“原子”，遵從量子力學(xué)規(guī)律，這就是玻色-愛因斯坦凝聚。

人們按物理運動規(guī)律的不同，將遵從經(jīng)典運動規(guī)律（牛頓力學(xué)，電磁場理論）的那些物質(zhì)所構(gòu)成的世界稱為“經(jīng)典世界”，將遵從量子力學(xué)規(guī)律的那類物質(zhì)所構(gòu)成的世界稱為“量子世界”。“量子”就是量子世界中物質(zhì)客體的總稱，它既可以是光子、電子、原子、基本粒子等微觀粒子，也可以是超導(dǎo)體等宏觀的量子系統(tǒng)，它們的共同特征就是必須遵從量子力學(xué)的規(guī)律。

“量子”與“經(jīng)典”本質(zhì)區(qū)別在哪呢？經(jīng)典世界的特點是物體的物理量、狀態(tài)在某個時刻是完全確定的，即經(jīng)典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。但量子世界中，客體的物理量則是不確定的、概率性的，而且這種不確定性與實驗技術(shù)無關(guān)，是量子世界的本質(zhì)特征，無法消除。這個特征就是量子力學(xué)中重要的量子態(tài)疊加態(tài)。

從步入量子時代以來，越來越多的人投入到量子力學(xué)的應(yīng)用研究中，基于量子規(guī)律的新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，這些深深地改變了人類的生活，那么量子技術(shù)有哪些具體應(yīng)用呢？敬請期待下回分解哦~