編者按 中央經(jīng)濟工作會議指出：科技自立自強是促進發(fā)展大局的根本支撐，只要秉持科學(xué)精神、把握科學(xué)規(guī)律、大力推動自主創(chuàng)新，就一定能夠把國家發(fā)展建立在更加安全、更為可靠的基礎(chǔ)之上。近年來，量子科技發(fā)展突飛猛進，成為促進高質(zhì)量發(fā)展、保障國家安全的重要力量。

據(jù)此，本版今起推出量子科技系列報道，關(guān)注量子科技的發(fā)端與發(fā)展。

量子力學(xué)是微觀物理學(xué)依賴的基本理論框架，自其提出一百多年來，在物理學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用的方方面面取得了一個又一個的成功。從九章量子計算機原型的發(fā)布到證明廣域量子保密通信技術(shù)在實際應(yīng)用中的條件已成熟，中國科學(xué)家過去幾年在量子科技領(lǐng)域取得了跨越式的發(fā)展。

量子力學(xué)的建立使人類對世界的認識從宏觀深入到微觀，是近400年現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展史上一個革命性飛躍，也是公認的上世紀最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。

在深入了解量子力學(xué)之前，我們需要弄明白，究竟什么是量子?我們這個復(fù)雜的物理世界，是如何由微觀粒子構(gòu)建而成的?

量子不是“子”，而是一種物理學(xué)概念

物質(zhì)是由原子組成的，原子是由原子核與電子組成的，原子核是由質(zhì)子和中子組成的。那么量子究竟是個什么粒子?它跟電子、質(zhì)子、中子相比如何呢?

事實上，量子只是一個物理學(xué)概念，不是實物。一個事物如果存在最小的、不可分割的基本單位，我們就說它是可量子化的，并把其可分割的最小單位稱為量子。所以說，量子并不是具體的實在粒子。

打個比方來說，我們在統(tǒng)計人數(shù)時，可以有一個人、兩個人，但不會出現(xiàn)半個人。再比如上臺階時，人們只能邁上一個臺階、兩個臺階，而不能上半個臺階。所以對于統(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。

同樣的，電子最初是在陰極射線中發(fā)現(xiàn)的最小單位，那么我們就可以說電子是陰極射線的量子。而光子就是光的量子，一束光至少也要有一個光子，否則就沒有光了。

以上這些例子是物質(zhì)組成的量子化，還有一類是物理量的量子化。假設(shè)你駕駛著一輛“量子汽車”，你只能以5千米/小時、20千米/小時或80千米/小時的速度行駛，這些數(shù)值之間的速度是不允許出現(xiàn)的。換擋的時候，你突然就從5千米/小時跳轉(zhuǎn)到20千米/小時，速度的變化是瞬間發(fā)生的，幾乎覺察不到加速的過程。能量的取值由連續(xù)任意變成離散特定，并且存在一個固定的最小值，其它值只能是最小值的倍數(shù)。這就叫做物理量的量子化。

科學(xué)研究證實，在每一種原子和分子中，電子的能量都是量子化的。不只是能量，還有電荷、磁矩、角動量等許多物理量，也是量子化的。

物質(zhì)組成的量子化和物理量的量子化，都說明量子化是微觀世界的本質(zhì)特征，量子力學(xué)也因此成為了科學(xué)家描述微觀世界的基礎(chǔ)理論。

在量子力學(xué)出現(xiàn)后，人們就把傳統(tǒng)的牛頓力學(xué)稱為經(jīng)典力學(xué)。可以舉一個例子說明“量子”與“經(jīng)典”的本質(zhì)區(qū)別，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：晶體管要么導(dǎo)通，要么關(guān)閉，完全確定。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。

量子概念的提出，源自一場與光的邂逅

量子概念的提出，始于德國科學(xué)家普朗克發(fā)現(xiàn)了黑體輻射的不連續(xù)性無法通過經(jīng)典力學(xué)來解釋。

通俗一點說，就是一個完全黑的物質(zhì)會吸收一切光線，但是光被黑體吸收的過程不是連續(xù)的。人們一開始不知道光是由光子構(gòu)成的，所以認為黑體吸收光線應(yīng)該是連續(xù)的。但是實驗數(shù)據(jù)卻表明，黑體吸收光線是一份一份的，并不是連續(xù)的，這是人類首次發(fā)現(xiàn)能量的量子化特性。

這個偉大的發(fā)現(xiàn)開啟了通往量子世界的大門，它的發(fā)現(xiàn)者——普朗克也因此獲得了1918年的諾貝爾物理學(xué)獎。

1905年，愛因斯坦做出了三項震驚世界的重大發(fā)現(xiàn)——狹義相對論、布朗運動和光電效應(yīng)。光電效應(yīng)被認為是人類在理解量子世界的道路上邁出的第二步，愛因斯坦也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎。

簡單地說，光電效應(yīng)就是當(dāng)某一光子照射到對光靈敏的物質(zhì)上時，它的能量可以被該物質(zhì)中的某個電子全部吸收。電子吸收光子的能量之后，動能立刻增加，如果動能增大到足以克服原子核對它的引力，就能飛逸出金屬表面，成為光電子，形成光電流。單位時間內(nèi)，入射光子的數(shù)量愈大，飛逸出的光電子就愈多，光電流也就愈強，這種由光能變成電能自動放電的現(xiàn)象，就叫光電效應(yīng)。

此前，牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論中提出，能量是連續(xù)的，但是光電效應(yīng)現(xiàn)象昭示出世界不再是線性的，而是非線性的。前輩科學(xué)家通過思考光的本質(zhì)，最早提出了量子的概念。所有微觀世界中的粒子，包括原子、原子核、電子以及光子，全都是量子的，而且它們?nèi)疾粷M足牛頓力學(xué)的規(guī)律。這背后是人類從未涉足的領(lǐng)域——微觀量子世界。

到二十世紀三十年代，量子力學(xué)的理論大廈已經(jīng)基本建立起來，能夠?qū)ξ⒂^世界的大部分現(xiàn)象做出定量描述。現(xiàn)在科學(xué)界公認，量子力學(xué)和相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論。

費米子和玻色子，是量子世界存在的基礎(chǔ)

既然描述微觀世界必須用量子力學(xué)，而宏觀物質(zhì)的性質(zhì)又是由微觀結(jié)構(gòu)決定的。所以有必要先了解一下物質(zhì)粒子的量子屬性：費米子和玻色子。

隨著量子力學(xué)的深入研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在微觀世界中，很多微小的粒子并不是固定不動的，其中比較重要的一個性質(zhì)就是粒子自旋，這與地球自轉(zhuǎn)的效果差不多。自旋是粒子的一種與其角動量(可理解為半徑與轉(zhuǎn)動速度的乘積)相聯(lián)系的固有性質(zhì)。量子力學(xué)所揭示的一個重要之處在于，自旋是量子化的，也就是說，它只能取普朗克常數(shù)的整數(shù)倍或半整數(shù)倍。

物理學(xué)家將不同自旋的粒子分成了兩種。一種自旋是整數(shù)的粒子被稱為玻色子，以印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色的名字命名，光子就是生活中最常見的玻色子。而另外一些粒子自旋是半整數(shù)，被稱為費米子，以意大利物理學(xué)家恩利克·費米命名，電子就是典型的費米子。

科學(xué)家通過實驗發(fā)現(xiàn)，兩個玻色子交換，它們的波相加，所以兩個玻色子喜歡待在一起，有親和力;兩個費米子交換，它們的波相消，所以兩個費米子無法待在一起，互為排斥。這就是有名的泡利不相容原理：兩個費米子不能占據(jù)同一個狀態(tài)。

因此，原子中的電子必須占據(jù)不同的軌道。所以當(dāng)原子帶有多個電子時，電子按能量由低到高，依次的填充不同的軌道。當(dāng)電子數(shù)目不同時，電子的軌道占據(jù)構(gòu)形也是不同的。因為原子的形狀，主要是由最后被占據(jù)的同顏色軌道所決定的，我們發(fā)現(xiàn)，帶不同數(shù)目電子的原子，會有不同的性狀。這導(dǎo)致了原子的豐富形狀和豐富的化學(xué)活性，這是復(fù)雜生物世界存在的原始基礎(chǔ)。

但是只有費米子是構(gòu)不成物質(zhì)的，必須有東西把費米子裝配起來才能構(gòu)成物質(zhì)。說白了，我們還需要費米子之間能夠相互作用，而傳遞這個相互作用的粒子的統(tǒng)稱就叫做玻色子。

總的來說，物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)是費米子，而物質(zhì)之間的基本相互作用卻由玻色子來傳遞。費米子和玻色子，就是我們這個世界存在的微觀基礎(chǔ)。

量子只是一個物理學(xué)概念，不是實物。一個事物如果存在最小的、不可分割的基本單位，我們就說它是可量子化的，并把其可分割的最小單位稱為量子。所以說，量子并不是具體的實在粒子。(記者 吳長鋒)

關(guān)鍵詞： 量子力學(xué) 量子概念