量子力學存在意味著什麼（量子到底是什麼）

2023-05-02 23:28:25

其實很多人只是聽過量子力學的一些概念，還沒有形成體系化的認知。

碎片化的認知會造成誤解，但是系統學習又缺乏基礎，這也是很多人看不懂量子力學的原因

文章將從整個量子力學建立的基礎邏輯出發，系統串聯量子力學的各種現象，最後到量子通信的原理，十分適合非物理專業的小朋友們系統地學習量子力學！

但說實話，量子力學很難兼顧通俗性和嚴謹性。過於通俗會失去嚴謹性，但過於嚴謹，基本上就沒人看得懂。文案我已經改了十幾遍，全程沒有任何公式，盡最大可能達到了通俗和嚴謹的平衡點。

首先不要對量子力學中複雜的概念難倒，量子力學無非就是物理理論，物理理論就是對自然現象的歸納，所以你面對的不是晦澀難懂的量子力學，而是不太容易理解的自然現象。

我們面對的世界，在尺度上，無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，就是宏觀世界。

比原子小的物質，就是次原子粒子，也就是微觀世界。

量子力學研究的就是微觀世界的物理現象。一開始，物理學家以為微觀和宏觀世界的物理規律是一樣的。

但是後來發現，微觀世界和宏觀世界幾乎沒有什麼共同點！

如果微觀世界和宏觀世界的現象一樣的話，那就沒量子力學什麼事了，直接用牛頓力學就能描述微觀世界的現象。那現在的物理理論就簡單了很多。

微觀世界起初讓人類感覺到困惑的是：電子繞原子核運動的規律琢磨不透。

按照以往的思路，電子繞原子核運動，就是原子核給電子提供了引力和電磁力。引力和電磁力會轉化成電子繞原子核運動的向心力，所以電子繞原子核應該是像地球繞太陽一樣的圓周運動。

但是後來發現，電子的軌道根本就不是什麼圓周運動。電子甚至就沒有可以確定的軌跡。我們無法算出電子下一秒會出現在哪。

至於為什麼會這樣，沒有人能知道，自然現象就是這樣，你也沒有辦法。

雖然我們不知道電子下一秒會出現在哪，但是好在，電子貌似會經常出現在原子核外幾個比較固定的區域。

比如觀察100次電子出現在原子核外的區域分布，會發現電子出現在A區域的次數為20次，b區域為25次，c區域為35次，d區域15次，其他區域為5次。

雖然無法精確知道電子下一秒出現在哪一區域，但是起碼可以用統計學描述電子出現在幾個常見區域的概率。

這就引申出上帝到底扔不扔骰子的問題。

在牛頓力學中，只要知道一個物體起始的速度 質量和受力情況，就能計算出這個物體在未來某一刻的具體位置。

未來發生的一切是早已被起始狀態設定好的。比如你的人生從宇宙誕生的那一刻就已經被設定好了，你能看到這篇文章也是被設定好的。這就是經典的機械決定論，也叫宿命論。

但是電子繞原子核的運動貌似是隨機的，電子下一秒出現的位置和初始狀態沒有確定的線性關係，任何計算都無法精確得知電子下一秒的位置，所以電子的運動就否定了機械決定論。

除了電子，所有微觀粒子的位置都是隨機的，需要用概率描述。而我們人體又是由微觀粒子構成，所以這就意味著，人的命運並不是被決定好的，人的意志是可以逆天改命的。

所以有人才說，上帝原來是扔骰子的。對於這個問題，如今依舊存在爭論，本期視頻重點不在這裡，所以就不再贅述。

為什麼要用「量子」這個詞語，量子到底是個啥？

首先你得思考一下，能量是怎麼傳遞的。把一杯熱水放涼，是因為熱水把自身能量傳遞給了周圍的空氣分子。

熱水分子運動比較劇烈，而空氣分子運動比較柔和，當熱水分子撞擊到空氣分子，就會把動能傳遞給空氣分子，進而導致運動程度降低，所以熱水才慢慢變涼。這就是能量傳遞的過程。

不難發現，能量的傳遞過程無非就是依靠物質之間的相互作用，比如分子之間碰撞。

在熱水放涼的過程中，溫度從80℃降低到20℃。溫度降低是一個連續的過程，中間會經歷從20℃到80℃之間的任意一個溫度值。比如50.654℃，35.6521℃……等等。

這就意味著在熱水放涼的過程中，能量的傳遞是連續變化的。

熱水放涼是宏觀世界的能量傳遞，但在微觀世界，能量的傳遞並不是連續的，而是間斷的。

我剛才已經強調過，能量的傳遞依靠的就是物質的相互交換。

既然已經到了微觀世界，那這裡面的物質很有可能就是最小的物質，比如基本粒子。

基本粒子就是最小的粒子，不能再細分了。

而微觀世界所有的能量傳遞本質上都是依靠基本粒子相互交換來實現的，比如光子。

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

假設一個光子攜帶的能量的大小是A（hv）那麼能量傳遞只能說是1A，2A，3A這樣的遞增過程。不存在1.2A，1.236A，2.58A……這樣的過程。所以能量傳遞的過程並不連續，而是有間隔的，這個間隔就是1A。

1A代表的就是能量的最小單位，我們賦予這種現象一個新的物理術語，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，非連續的量子概念，在微觀世界十分普遍，是微觀世界的基礎現象，而量子力學正是研究微觀世界的理論，所以量子力學才由此得名！