量子是什么？

小科帶你讀

“量子”并不是一種粒子（所以不要問它跟電子、質子、中子相比是大是�。�，而是表示一種現(xiàn)象，即不連續(xù)變化。如果一個事物可取的值是不連續(xù)的，即臺階式的、離散的，我們就說它是量子化的，把它的最小單元稱為量子。

實際上，量子化的現(xiàn)象在日常生活中就有很多，例如上臺階、清點人數(shù)。但使量子這個詞出名的，是一個物理學理論，叫作“量子力學”（quantum mechanics），它是描述微觀世界的本質理論。這就不是日常生活中熟悉的了。那么，量子為什么會成為一種理論呢？

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這是因為人們發(fā)現(xiàn)，量子化是微觀世界的一個本質特征。也就是說，微觀世界很多現(xiàn)象是不連續(xù)變化的。

原子光譜：量子化的信號

最早發(fā)現(xiàn)的這樣的例子，是原子光譜，包括原子發(fā)出的光（發(fā)射光譜）和外界的光經(jīng)過原子時被吸收的光（吸收光譜）。前者是亮線，后者是暗線，兩者位于同樣的頻率。原子光譜最明顯的特征，就是它是個離散譜，即只有某些分立的頻率。這強烈地暗示，原子中的某些現(xiàn)象是量子化的。

氫原子光譜在可見光波段的4條線，它們的波長分別是410.1、434.0、486.1和656.3納米（納米等于10-9米）。為什么會是這幾個數(shù)值？你能從這個數(shù)列中看出什么規(guī)律？

這絕不是一眼能看出來的。許多人對此冥思苦想，從各種角度去建構，但都無法得到簡單的公式。最終，打破這個啞謎的居然是一位瑞士的中學數(shù)學教師巴耳末（Johann Jakob Balmer，1825～1898）。1884年，巴耳末發(fā)現(xiàn)，410.1、434.0、486.1、656.3的這個數(shù)列其實可以表示為λ=B(n2/n2-4)，n =3，4，5，…… 其中，λ是波長，B是一個常數(shù)，等于3.6456 ×10-7米。大家可以把數(shù)值代進去檢驗，也可以拋開常數(shù)B，直接看4個波長的比例，656.3：486.1：434.0：410.1的比例，與9/5：16/12：25/21：36/32相同。也就是說，410.1、434.0、486.1和656.3分別對應n=6、5、4和3。

不過這個公式還是不太容易理解。后來人們把它做了個變形：1/λ=R(1/22-1/n2)，n = 3，4，5，……

這就非常明顯地提示我們，原子光譜對應兩個項相減。由此還可以推測，前一項當中的2只不過是個特殊情況，也可以取其他值，例如1、3、4等。

是不是這樣呢？把氫原子光譜的其他譜線代進去一算，發(fā)現(xiàn)完全正確！也就是說，氫原子譜線的所有波長都可以表示為1/λ=R(1/n2-1/n′2)，n =1, 2, 3,… n′=n+1，n+2，n+3，……

這叫作里德伯公式，是瑞典科學家里德伯（Johannes Robert Rydberg，1854～1919）在1889年提出的。這個公式簡單而美妙，但究竟該怎么理解？

能級躍遷：光譜的本質

現(xiàn)在，我們對它有個非常自然的解釋。原子中的電子能量是量子化的，即只能處于某些特定的能量，稱為“能級”。原子發(fā)出或者吸收光，本質就是電子在兩個能級之間躍遷。從上能級到下能級時能量降低，會發(fā)射光子；從下能級到上能級時能量升高，需要吸收光子。而發(fā)射或吸收的光子的能量，就等于上下兩個能級的能量差。

這就是為什么原子光譜是量子化的，因為原子能級只能取某些特定的值，它們的差自然也只能取某些特定的值。而氫原子光譜之所以能表示成里德伯公式，是因為氫原子能級剛好都等于某個值除以n2，其中 n＝1，2，3，4等。所以，原子光譜就是量子力學的鐵證。

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不過，量子力學對氫原子光譜的定量解釋出現(xiàn)得比較遲，它是丹麥科學家玻爾（Niels Bohr，1885～1962）在1913年提出的，他因此獲得了1922年諾貝爾物理學獎。

量子力學：微觀世界的本質

后來我們發(fā)現(xiàn)，微觀世界的物理量在大多數(shù)情況下都是量子化的，連續(xù)變化的才是少數(shù)。很多科學家對量子力學做出了重要的貢獻，如普朗克、愛因斯坦、德布羅意、玻爾、海森伯、薛定諤、狄拉克、玻恩、泡利等。在他們的共同努力下，量子力學的理論大廈在20世紀30年代基本建立了起來。

1933年諾貝爾獎頒獎期間，狄拉克、海森伯和薛定諤的合照。海森伯獲得1932年諾貝爾物理學獎（補發(fā)，1932年時空缺），薛定諤和狄拉克共同獲得1933年諾貝爾物理學獎。左起：海森伯母親、薛定諤妻子、狄拉克母親、狄拉克、海森伯、薛定諤。

可能有人會說，好，明白了，微觀世界是量子的，宏觀世界是經(jīng)典的，它們遵循不同的物理規(guī)律。實際上，這種說法不太準確，因為經(jīng)典力學并不是一個和量子力學完全矛盾的理論。在宏觀條件下，量子力學就會簡化為經(jīng)典力學，它們的預測是相同的。因此，宏觀世界中經(jīng)典力學的成功，其實也都是量子力學的成功。

為什么會是這樣呢？可以這樣來理解。1和2的區(qū)別是巨大的，但1億和1億加1的區(qū)別就很小了，也許都測量不出來。因此，經(jīng)典力學其實是量子力學在宏觀條件下的近似理論。

但在微觀條件下，量子力學和經(jīng)典力學的預測就完全不同了，因為這時從1到2的變化不能近似成連續(xù)變化。到底誰的預測正確？我們可以去做實驗檢驗。迄今為止所有實驗的結果都是量子力學的預測正確，經(jīng)典力學的預測錯誤。

因此，量子力學是一個非常普適的理論，而經(jīng)典力學是它的一個真子集。量子力學并不是一個只限于某種特殊情況的理論，其實它才是世界的本質！我們的真實世界是量子的，而不是經(jīng)典的。

來源：科學世界

原標題：袁嵐峰：量子為什么會成為理論？| 科學世界·視點

編輯：Decoherence

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