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何为“量子”

发布时间:2013-11-22 12:25:02 点击浏览:

  什么是“量子”?它和“原子”、“电子”、“中子”这些客观存在的粒子一样也是一种物质实体吗?答案是否定的。“量子”不是一种粒子,在物理学中提到“量子”时,我们实际上指的是微观世界的一种行为倾向:物质或者说粒子的能量和其他一些性质(统称为可观测物理量)都倾向于不连续地变化。例如,我们说一个“光量子”,是因为一个光量子的能量是光能量变化的最小单位,光的能量是以光量子的能量为单位一份一份地变化的。其他的粒子情况也是类似的,例如,在没有被电离的原子中,绕核运动的电子的能量是“量子化”的,也就是说电子的能量只能取特定的离散的值。只有这样,原子才能稳定存在,我们才能解释原子辐射的光谱。不仅能量,对于原子中的电子,角动量也不再是连续变化的。量子物理学告诉我们,电子绕原子核运动时也只能处在一些特定的运动模式上,在这些模式上,电子的角动量分别具有特定的数值,介于这些模式之间的运动方式是极不稳定的。即使电子暂时以其他的方式绕核运动,很快就必须回到特定运动模式上来。实际上在量子物理中,所有的物理量的值,都可能必须不连续地、离散地变化。这样的观点和经典物理学的观点是截然不同的,在经典物理学里所有的物理量都是连续变化的。
    上世纪初,物理学家普朗克最早猜测到微观粒子的能量可能是不连续的。但要坚持这个观点,就意味着背叛经典物理学。保守的普朗克最终放弃了这个观点,对于他个人这是一件极为遗憾的事。然而,大量的实验事实迫使物理学界迅速地接受这样的观点,将其发展起来,并结合其他一些公设如“量子态叠加原理”、“概率性测量原理”等,建立了如今的量子物理科学。


薛定谔猫和量子叠加态
  量子态叠加原理和概率性测量原理会导致一些违反经典世界常识的结论。参看下图,信息论中最基本的概念就是经典比特。一个经典比特的值或者是1或者是0,不会有第三种情况。然而量子态叠加原理,却允许一个0和1的叠加状态,这个状态既不是0,也不是1,如果测量它,那么它可能是1也可能是0。
著名的“薛定谔猫”形象地描述了这个佯谬。在经典世界里,猫不是活的,就是死的,然而,一只量子的猫却可以处在“死”和“活”的叠加状态上。那么这只量子“薛定谔猫”到底是死的还是活的呢?
测量原理给出的答案是,如果你不去看这只猫,它既不是死的也不是活的!如果你去看这只猫,那么它有时是死的,有时是活的!


叠加态和薛定谔猫

量子纠缠

量子纠缠是另一种违反经典世界常识的量子现象。考虑两个粒子组成的量子体系,它的量子叠加态会有什么特殊之处吗?量子力学预言说,可以制备一种两粒子共同的量子态,其中每个粒子状态之间的关联不能被经典的解释,为量子关联,这样的态称为两粒子量子纠缠态。爱因斯坦的“相对论”指出:相互作用的传播速度是有限的,不大于光速。可是,如果将处于纠缠态中的两个粒子分开很远,当我们完成对一个粒子的状态进行测量时,任何相互作用都来不及传递到另一个粒子上。按道理讲,另一个粒子因为没有受到扰动,这时状态不应该改变。但是这时另一个粒子的状态受到关联关系的制约,已经发生了变化。这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。它似乎违反了爱因斯坦的“定域因果论”,因此量子纠缠态的关联被称为非定域的关联。量子纠缠指的就是两个或多个量子系统之间的非定域的量子关联。量子纠缠的非定域、非经典性已由大量的实验结果所证实。科学家认为,这是一种“神奇的力量”,可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础。实际上,科学家们发现量子纠缠还有很多奇妙的应用,可以在许多领域中突破传统技术的极限。


这两个量子骰子是互相纠缠的,当你把其中一个掷出六点时,另一个也必定是六点。

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