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你完全可以理解量子信息(1) 精选

已有 88873 次阅读 2017-12-21 14:28 |系统分类:科普集锦

导读

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,就是“离散变化的最小单元”。离散变化是微观世界的一个本质特征,准确描述微观世界的物理学理论就是“量子力学”。



近年来,你肯定看到了越来越多与“量子”有关的科技新闻。2016年8月16日,我国发射世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”,更是全球轰动。但你如果想了解量子科学,在网络上看到的又大多是各种玄而又玄、莫名其妙的说法,什么“没有人懂得量子力学”啦,“超时空的瞬间作用”啦,“上帝不掷骰子”啦,越看越糊涂。你不禁会嘀咕:也许这么高深的东西,本来就超出了我的理解范围?



“墨子号”量子卫星发射


对此,本文想说的是:


不要放弃治疗!


好啦,这是开个玩笑。实际的意思是,量子科学是完全可以理解的,绝不是什么无法言传的东西。只要认真阅读本文,我相信你一定可以对这门学科得到相当深入的理解。


深入到什么程度呢?至少可以超过绝大多数的媒体记者和吃瓜群众。以后再看到相关的新闻,你就会明白说的是什么事,背景是什么,具有什么样的意义了。毕竟,科学的本质是朴实无华的,任何道理都可以向人解释清楚。如果你厌倦了种种故弄玄虚的炒作,真心想学习一些“干货”,那么本文绝对是你的菜。


当然,完全读懂本文并不是一件像喝“鸡汤”那样容易的事。全文近4万字,你可能需要分几次才能读完。而且这篇文章讲的是货真价实的科学原理,真要透彻理解,还是需要具有一定的基础,并集中注意力去思考的。需要什么样的基础呢?也许是高中的水平……如果你真的很用心去读,说不定初中也行!(小学生:不要歧视我们!)


咳咳,无论你的基础是什么样的,只要认真阅读和思考本文,你肯定会有所收获。好,让我们开始这场量子之旅。扣好安全带,我们要发车了!


一、“量子”是什么?


量子科学之所以显得神秘,首先这个名字就是一大原因。


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。正如“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。


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”。


什么叫“离散变化”?我们统计人数时,可以有一个人、两个人,但不可能有半个人、1/3个人。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。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说,一个人就是一个量子。对于上台阶来说,一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化,我们就说它是“量子化”的。



上台阶


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。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包括两类,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,物质组成的离散变化。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。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,物理量的离散变化。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,总之就是-13.6 eV除以某个自然数的平方(-13.6/n2 eV,n可以取1、2、3、4、5等),而不能取其他值,例如-10 eV、-20 eV。我们不好说氢原子中电子能量的量子是什么(因为不是等间距的变化),但会说氢原子中电子的能量是量子化的,位于一个个“能级”上面。每一种原子中电子的能量都是量子化的,这是一种普遍现象。


氢原子能级


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,量子力学是个很古老的理论——已经超过一个世纪了!


量子力学的起源是在1900年,德国科学家普朗克(Max Planck)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(Albert Einstein)、玻尔(Niels H. D. Bohr)、德布罗意(Louis V. de Broglie)、海森堡(Werner K.Heisenberg)、薛定谔(Erwin R. J. A. Schrödinger)、狄拉克(Paul A. M. Dirac)等人提出了一个又一个新概念,一步一步扩展了量子力学的应用范围。到1930年代,量子力学的理论大厦已经基本建立起来,能够对微观世界的大部分现象做出定量描述了。


(未完待续)




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