“量子”到底是什么？為什么量子力學(xué)中，上帝要擲骰子？

其實(shí)很多人只是聽(tīng)過(guò)量子力學(xué)的一些概念，還沒(méi)有形成體系化的認(rèn)知。

碎片化的認(rèn)知會(huì)造成誤解，但是系統(tǒng)學(xué)習(xí)又缺乏基礎(chǔ)，這也是很多人看不懂量子力學(xué)的原因

文章將從整個(gè)量子力學(xué)建立的基礎(chǔ)邏輯出發(fā)，系統(tǒng)串聯(lián)量子力學(xué)的各種現(xiàn)象，最后到量子通信的原理，十分適合非物理專業(yè)的小朋友們系統(tǒng)地學(xué)習(xí)量子力學(xué)！

但說(shuō)實(shí)話，量子力學(xué)很難兼顧通俗性和嚴(yán)謹(jǐn)性。過(guò)于通俗會(huì)失去嚴(yán)謹(jǐn)性，但過(guò)于嚴(yán)謹(jǐn)，基本上就沒(méi)人看得懂。文案我已經(jīng)改了十幾遍，全程沒(méi)有任何公式，盡最大可能達(dá)到了通俗和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠胶恻c(diǎn)。

首先不要對(duì)量子力學(xué)中復(fù)雜的概念難倒，量子力學(xué)無(wú)非就是物理理論，物理理論就是對(duì)自然現(xiàn)象的歸納，所以你面對(duì)的不是晦澀難懂的量子力學(xué)，而是不太容易理解的自然現(xiàn)象。

我們面對(duì)的世界，在尺度上，無(wú)非就是宏觀和微觀世界之分。

而宏觀和微觀世界的分界線就是原子。比原子大的物質(zhì)，就是宏觀世界。

比原子小的物質(zhì)，就是次原子粒子，也就是微觀世界。

量子力學(xué)研究的就是微觀世界的物理現(xiàn)象。一開(kāi)始，物理學(xué)家以為微觀和宏觀世界的物理規(guī)律是一樣的。

但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)，微觀世界和宏觀世界幾乎沒(méi)有什么共同點(diǎn)！

如果微觀世界和宏觀世界的現(xiàn)象一樣的話，那就沒(méi)量子力學(xué)什么事了，直接用牛頓力學(xué)就能描述微觀世界的現(xiàn)象。那現(xiàn)在的物理理論就簡(jiǎn)單了很多。

微觀世界起初讓人類感覺(jué)到困惑的是：電子繞原子核運(yùn)動(dòng)的規(guī)律琢磨不透。

按照以往的思路，電子繞原子核運(yùn)動(dòng)，就是原子核給電子提供了引力和電磁力。引力和電磁力會(huì)轉(zhuǎn)化成電子繞原子核運(yùn)動(dòng)的向心力，所以電子繞原子核應(yīng)該是像地球繞太陽(yáng)一樣的圓周運(yùn)動(dòng)。

但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)，電子的軌道根本就不是什么圓周運(yùn)動(dòng)。電子甚至就沒(méi)有可以確定的軌跡。我們無(wú)法算出電子下一秒會(huì)出現(xiàn)在哪。

至于為什么會(huì)這樣，沒(méi)有人能知道，自然現(xiàn)象就是這樣，你也沒(méi)有辦法。

雖然我們不知道電子下一秒會(huì)出現(xiàn)在哪，但是好在，電子貌似會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)在原子核外幾個(gè)比較固定的區(qū)域。

比如觀察100次電子出現(xiàn)在原子核外的區(qū)域分布，會(huì)發(fā)現(xiàn)電子出現(xiàn)在A區(qū)域的次數(shù)為20次，b區(qū)域?yàn)?5次，c區(qū)域?yàn)?5次，d區(qū)域15次，其他區(qū)域?yàn)?次。

雖然無(wú)法精確知道電子下一秒出現(xiàn)在哪一區(qū)域，但是起碼可以用統(tǒng)計(jì)學(xué)描述電子出現(xiàn)在幾個(gè)常見(jiàn)區(qū)域的概率。

這就引申出上帝到底扔不扔骰子的問(wèn)題。

在牛頓力學(xué)中，只要知道一個(gè)物體起始的速度 質(zhì)量和受力情況，就能計(jì)算出這個(gè)物體在未來(lái)某一刻的具體位置。

未來(lái)發(fā)生的一切是早已被起始狀態(tài)設(shè)定好的。比如你的人生從宇宙誕生的那一刻就已經(jīng)被設(shè)定好了，你能看到這篇文章也是被設(shè)定好的。這就是經(jīng)典的機(jī)械決定論，也叫宿命論。

但是電子繞原子核的運(yùn)動(dòng)貌似是隨機(jī)的，電子下一秒出現(xiàn)的位置和初始狀態(tài)沒(méi)有確定的線性關(guān)系，任何計(jì)算都無(wú)法精確得知電子下一秒的位置，所以電子的運(yùn)動(dòng)就否定了機(jī)械決定論。

除了電子，所有微觀粒子的位置都是隨機(jī)的，需要用概率描述。而我們?nèi)梭w又是由微觀粒子構(gòu)成，所以這就意味著，人的命運(yùn)并不是被決定好的，人的意志是可以逆天改命的。

所以有人才說(shuō)，上帝原來(lái)是扔骰子的。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，如今依舊存在爭(zhēng)論，本期視頻重點(diǎn)不在這里，所以就不再贅述。

我們常常說(shuō)量子力學(xué)，那為什么要叫量子力學(xué)，而不叫粒子力學(xué)呢？

為什么要用“量子”這個(gè)詞語(yǔ)，量子到底是個(gè)啥？

首先你得思考一下，能量是怎么傳遞的。把一杯熱水放涼，是因?yàn)闊崴炎陨砟芰總鬟f給了周圍的空氣分子。

熱水分子運(yùn)動(dòng)比較劇烈，而空氣分子運(yùn)動(dòng)比較柔和，當(dāng)熱水分子撞擊到空氣分子，就會(huì)把動(dòng)能傳遞給空氣分子，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)程度降低，所以熱水才慢慢變涼。這就是能量傳遞的過(guò)程。

不難發(fā)現(xiàn)，能量的傳遞過(guò)程無(wú)非就是依靠物質(zhì)之間的相互作用，比如分子之間碰撞。

在熱水放涼的過(guò)程中，溫度從80℃降低到20℃。溫度降低是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，中間會(huì)經(jīng)歷從20℃到80℃之間的任意一個(gè)溫度值。比如50.654℃，35.6521℃……等等。

這就意味著在熱水放涼的過(guò)程中，能量的傳遞是連續(xù)變化的。

熱水放涼是宏觀世界的能量傳遞，但在微觀世界，能量的傳遞并不是連續(xù)的，而是間斷的。

我剛才已經(jīng)強(qiáng)調(diào)過(guò)，能量的傳遞依靠的就是物質(zhì)的相互交換。

既然已經(jīng)到了微觀世界，那這里面的物質(zhì)很有可能就是最小的物質(zhì)，比如基本粒子。

基本粒子就是最小的粒子，不能再細(xì)分了。

而微觀世界所有的能量傳遞本質(zhì)上都是依靠基本粒子相互交換來(lái)實(shí)現(xiàn)的，比如光子。

光子只能是一個(gè)，兩個(gè)，三個(gè)……，沒(méi)有二分之一，三分之一 個(gè) 光子。所以一個(gè)光子攜帶的能量就是微觀世界能量傳遞過(guò)程中的最小單位。

假設(shè)一個(gè)光子攜帶的能量的大小是A（hv）那么能量傳遞只能說(shuō)是1A，2A，3A這樣的遞增過(guò)程。不存在1.2A，1.236A，2.58A……這樣的過(guò)程。所以能量傳遞的過(guò)程并不連續(xù)，而是有間隔的，這個(gè)間隔就是1A。

1A代表的就是能量的最小單位，我們賦予這種現(xiàn)象一個(gè)新的物理術(shù)語(yǔ)，這就是：能量量子化。

所以量子代表的就是一種不可再分的基本單位。在微觀世界，只要是不可再細(xì)分的概念，都可以叫做量子化，比如光子就是不可再分的基本粒子，所以光子也叫光量子。

這種不可再分的，非連續(xù)的量子概念，在微觀世界十分普遍，是微觀世界的基礎(chǔ)現(xiàn)象，而量子力學(xué)正是研究微觀世界的理論，所以量子力學(xué)才由此得名！