量子是什么、量子具有什么特性、又有什么作用？

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量子究竟是什么

量子（quantum）是现代物理的重要概念。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。

1900 年，普朗克首次提出量子概念，用来解决困惑物理界的?紫外灾难?问题。

紫外灾难：19世纪末，科学界许多科学家已经开始深入研究电磁波，由此诞生了黑体，黑体则是属于热力学范畴，黑体是一个理想化了的物体，为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家以此作为热辐射研究的标准物体。

它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射。换句话说，黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1，透射系数为0。而我们知道一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。

随着温度上升，黑体所辐射出来的电磁波则称为黑体辐射。紫外灾难则指的是在经典统计理论中，能量均分定律预言黑体辐射的强度在紫外区域会发散至无穷大，这和事实严重违背。

普朗克假定，光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的，而是一份一份的，一份?能量?就是所谓量子。

然而当时的物理界，包括普朗克本人，都讨厌?量子?这个怪物，千方百计想要将它消化在经典物理的世界之中，但却屡试不果。

唯有爱因斯坦独具慧眼，提出了?光量子假说?，他认为光辐射不仅在于与物质相互作用时的能量是一份一份的，光辐射的能量，本身就是?量子化?的，一份能量就是光能量的最小单元，后来称之为?光量子?，或简称?光子?。

后来，在两者基础上，以玻尔为首的哥本哈根学派发展出来了量子力学，哥本哈根诠释也就成为量子力学的正统解释，其中恩的概率解释、海森堡的不确定性原理和玻尔的互补原理，三者共同构成了?哥本哈根解释?的核心，量子力学与相对论共同构成了现代物理体系的两大支柱。

按物理运动规律的不同，我们将遵从经典运动规律(牛顿力学，电磁场理论)的那些物质所构成的世界称为?经典世界?，将遵从量子力学规律的那类物质所构成的世界称为?量子世界?。?量子?就是量子世界中物质客体的总称，它既可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子，也可以是BEC、超导体等宏观尺度下的量子系统，其共同特征就是必须遵从量子力学的规律。

量子所具有的重要特性

量子所具有的比较重要的特性有量子叠加、量子纠缠。

量子叠加最有名的就是?薛定谔的猫?理论了，薛定谔的猫是指在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质。之后，有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫，同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

根据经典物理学，在盒子里必将发生这两个结果之一，而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。但是在量子的世界里，当盒子处于关闭状态，整个系统则一直保持不确定性的波态，即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后才能够知道。

这里涉及到了一个电子双缝实验实验，在德布罗意提出了波粒二象性之后，戴维孙和革末通过实验确认了一切物质都具有波粒二象性后。量子力学认为当人们没有对粒子进行观察的时候，它们是以波的形式运动，由于存在干涉，穿过双缝后会出现一道道痕迹。一旦观测后，它们立刻选择成为粒子，就不会产生干涉，穿过双缝留下痕迹。

然而，薛定谔忘记了量子力学是旨在探究微观领域，而非宏观世界，有时候宏观世界是无法用来解释微观世界的。

量子力学的一个中心原则就是粒子可以存在于叠加态中，能同时拥有两个相反的特性，也就是我们说的波粒二象性。尽管我们在日常生活中常常面对?不是A就是B?的抉择，而但在微观世界中是可以接受?既是 A 又是 B?的，就好像我们经常说一个人，不能简单判断他是善恶一样。

薛定谔的猫可以说非常生动形象让大家看清了量子力学的本质 一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。

叠加状态会引起量子纠缠，在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠（quantum entanglement）。

量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。举一个例子，在微观世界里，两个纠缠的粒子可以超越空间进行瞬时作用。也就是说，一个纠缠粒子在地球上，另一个纠缠粒子在月球上，只要对地球上的粒子进行测量，发现它的自旋为下，那么远在月球上的另一个纠缠粒子的自旋必然为上。

除此之外，量子还有一个有趣的现象，就是量子隧穿效应，举个例子，假如人在赶路，前面有一座大山挡住了去路，那么人如果要前往大山的另外一边，那么你就只能翻过山去。但是对于粒子而言，它可以直接穿过去，即使能量不足，也可以穿山而过。这就是粒子穿墙术量子隧穿效应。

基本粒子没有形状，没有固定的路径，不确定性是它唯一的属性，既是波，也是粒子，就像是我们对着墙壁大吼一声，即使99.99%的声波被反射，仍会有部分声波衍射穿墙而过到达另一个人的耳朵。因为墙壁是不可能切断物质波的，只能在拦截的过程中使其衰减。

量子科学目前来说，最广泛的应用是量子通信和量子计算机。经典通信较光量子通信相比，其安全性和高效性都无法与之相提并论。安全性-量子通信绝不会?泄密?，量子通信技术被认为是?保障未来信息社会通信机密性和隐私的关键技术?。

而量子计算则被认为是第四次工业革命的引擎，目前，科学界普遍认为，第四次工业革命将会在核聚变、量子技术、5G、人工智能、基因工程这5者之中诞生。

目前来说，经典计算机的发展已经陷入瓶颈，随着晶体管体积不断缩小，计算机可容纳的元器件数量越来越多，产生的热量也随之增多。其次，随着元器件体积变小，电子会穿过元器件，发生量子隧穿效应，这导致了经典计算机的比特开始变得不稳定。

晶体管

科学家认为量子计算机可以突破目前的困境，量子计算是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。

那么对于时空是否被量子化了这个问题，我们进行到什么程度了？有三个主要的可能性，每一个都不可思议。

（1）空间和/或时间是离散的。想象有一个最短的长度，那这里有一个问题，在爱因斯坦的相对论中，可以在任何地方放下一个想象的尺子，这个尺子根据观察者相对于它移动的速度而变短。如果空间被量子化，以不同速度运动的人会测量到不同的基本长度范围。

这有力地表明，将会有一个“优先的”参考系，它穿过空间的一个特定速度会有最大可能的长度，而其他所有参考系的会更短。不是每个人都喜欢这个观点，它要求放弃一些物理上很重要的东西，比如洛伦兹不变性或局部性。离散化时间也给广义相对论带来了很大的问题。

（2）空间和时间都是连续的。我们现在所认知到的问题并不是不可克服的问题，而是拥有一个不完整的量子宇宙理论造成的。空间和时间有可能真的是连续的，即使它们本质上是量子，也不能被分解成基本单位。它可能是一种泡沫状的时空，在微小的尺度上有巨大的能量波动，但可能不会有最小的尺度。当我们成功地找到引力的量子理论时，可能就有一个连续且量子的结构。

（3）空间和/或时间可以是离散的，也可以是连续的.但是这里有一个我们能达到的有限分辨度，这涉及了什么是“真实的”或“基本的”和什么是可测量的之间区别的核心。假设有一个连续的结构，但是我们的观察能力是有限的。当我们到达一个足够小的距离尺度时，它就会变得模糊。我们可能无法看到它是真的连续的还是离散的，只能说低于一定长度范围我们就无法解决结构问题。

令人难以置信的是，实际上可能确实有一种方法能够测试是否有最小长度尺度。物理学家雅各布?贝肯斯坦曾提出了一个绝妙的想法，让一个光子穿过晶体，使它移动的幅度很小。因为光子能量（连续的）可以微调，而晶体与光子的动量相比是非常巨大的，所以它应该能够检测出晶体运动的“步骤”是离散的还是连续的。在有一个足够低能量光子的情况下，如果空间被量子化，晶体要么移动一个量子步骤，要么根本不动。

有一种观点认为，在时间或者空间中可能存在最小的尺度。或许一切都是量子的，但并非一切都是离散的。在爱因斯坦的相对论中，空间和时间仍然被看作是一个连续结构的两个相连的部分。在量子场理论中，时空是量子之舞的连续性舞台。但是，应该还有一个有关引力的量子理论。“离散的还是连续的？”这个问题包含了一些不可思议的可能性，包括低于一定范围我们无法知道的可能性。尽管许多物理学家有着不同的假设，但我们需要更多的信息，才能真正知道我们的宇宙在基本层面上是什么样的。

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