什么是量子?可以用自已的理解阐述一下吗?

Question

什么是量子?可以用自已的理解阐述一下吗?

Answer 1

量子物理学是关于自然界的最基本的理论,人类在20世纪20年代发现了它,然而至今却仍然无法理解这个理论的真谛.大多数人根本没听说过量子,而初学者无不感到困惑不解,实际上,所有20世纪最伟大的科学家都没有真正理解它,并一直为之争论不休.然而,越困难、越具有挑战性的问题就越让人类的好奇心无法割舍,人类志在理解自然的本性,并最终理解自己. 今天,对于每一个仍然对自然充满好奇的现代人来说,不理解量子,就无法理解我们身边的世界,就不能真正成为一个有理性的、思想健全的人.同时,让我们所有人感到幸运的是,现在想真正理解神秘的量子却是一件容易的事情,这会让那些逝去的伟人们感到羡慕和由衷的欣慰.在本文中,我们将以通俗易懂的语言来给出量子谜题的答案.只要思考,你就会理解,甚至有所发现.
发现量子
人们将量子的发现称为人类科学和思想领域中的一场伟大的革命,因为它会让所有第一次试图接近她的人感到从未有过的心灵震撼.现代人所缺少的正是这种真正的心灵震撼,他们太沉迷于感性的快乐,而忽视了理性的清新魅力.
1900年,普朗克在对热辐射的研究中第一个窥见了量子.这一年的12月14日,普朗克在德国物理学会会议上宣布了他的伟大发现---能量量子化假说,根据这一假说,在光波的发射和吸收过程中,发射体和吸收体的能量变化是不连续的,能量值只能取某个最小能量元的整数倍,这一最小能量元被称为“能量子”.普朗克的能量子概念第一次向人们揭示了微观自然过程的非连续本性,或量子本性.
1905年,爱因斯坦提出了光量子假说,进一步发展了量子概念.爱因斯坦认为,能量子概念不只是在光波的发射和吸收时才有意义,光波本身就是由一个个不连续的、不可分割的能量量子所组成的.利用这一假说,爱因斯坦成功地解释了光电效应等实验现象.光量子概念首次揭示了光的量子特性或波粒二象性,即光不仅具有波动性,同时也具有粒子性.
继普朗克和爱因斯坦之后,玻尔进一步发现了原子系统的量子特性.1913年,玻尔把量子概念成功地应用于氢原子系统,并根据卢瑟福的核型原子模型创立了玻尔原子理论.这一理论指出,原子中的电子只能存在于具有分立能量的定态上,并且电子在不同能量定态之间的跃迁是本质上非连续的.
1924年,在爱因斯坦光量子概念的启发下,德布罗意提出了物质波假说,最终将光所具有的波粒二象性赋予了所有物质粒子,从而指出了自然界中的所有物质都具有波粒二象性,或量子特性.德布罗意的物质波概念为人们发现量子的规律提供了最重要的理论基础.
终于在1925-26年间,定量描述物质量子特性的最初理论---量子力学诞生了,并且是以两种不同的面孔---矩阵力学和波动力学接连出现的.1925年7月,海森伯在玻尔原子理论的基础上,发现了将物理量（如位置、动量等）及其运算以一种新的形式和规则表述时,物质的量子特性,如原子谱线的频率和强度可以被一致地说明,这是关于量子规律的一种奇妙想法.之后,玻恩和约丹进一步在数学上严格地表述了海森伯的思想,他们指出了海森伯所发现的用于表述物理量的新形式正是数学中的矩阵,而物理量之间的运算就是矩阵之间的运算.同时,玻恩和约丹还发现了用于表达粒子位置和动量的矩阵之间满足一个普遍的不对易关系,即[p,q]=ih.基于这一表达量子本性的对易关系,玻恩、约丹和海森伯终于建立了一个全新的量子理论体系---矩阵力学,这一理论只涉及测量结果,而并不涉及原子系统的量子状态和测量过程.
在矩阵力学建立的同时,另一种基于德布罗意物质波概念的新力学正在孕育.1925年末,在爱因斯坦的建议下,薛定谔仔细研究了德布罗意的论文,并产生了物质波需要一个演化方程的想法.1926年初,经过反复尝试和努力之后,薛定谔终于发现了物质波的非相对论演化方程,即今天人们熟知的薛定谔方程.薛定谔方程的发现标志了量子力学的另一种形式体系---波动力学的建立.
波动力学为物质的量子表现提供了进一步的直观图像（即波函数）说明,同时,在波动力学中,位置与动量之间的对易关系成为了波动方程的一个自然结果,而不是如矩阵力学那样,只能假设它的存在.在此意义上,波动力学优于矩阵力学.
1926年下旬,看上去非常不同的矩阵力学和波动力学很快被证明在数学上是等价的.薛定谔首先证明了波动力学与矩阵力学的等价性,之后,狄拉克进一步通过变换理论把矩阵力学和波动力学统一起来.至此,量子力学的理论体系被创建完成.
从此,人类开始进入量子时代.越来越多的人投入到量子力学的应用研究中,基于量子规律的新技术也不断涌现,这些量子技术深深地改变了人类的生活,其中最引人注目的成就就是激光技术和电子计算机的出现.
不相容危机
爱因斯坦最早注意到量子力学与相对论的不相容性.在1927年的第五届索尔维会议上,爱因斯坦对刚刚建立的量子力学理论表示了不满,他在反对意见中指出,如果量子力学是描述单次微观物理过程的理论,则量子力学将违反相对论.1935年,在论证量子力学不完备性的EPR文章中,爱因斯坦再一次揭示了量子力学的完备性同相对论的定域性假设之间存在矛盾.在爱因斯坦看来,相对论无疑是正确的,而量子力学由于违反相对论必然是不正确的,或者至少是不完备的.
1964年,在爱因斯坦的EPR论证的基础上,贝尔提出了著名的贝尔不等式,这一不等式进一步显示了相对论所要求的定域性与量子力学之间的深刻矛盾,并提供了利用实验来进行判决的可能性.根据贝尔的分析,如果量子力学是正确的,它必定是非定域的.利用贝尔不等式,人们进行了大量实验来检验量子力学的正确性,其中最有说服力的是阿斯派克特等人于1982年所做的实验,他们的实验结果证实了量子力学的预言,并显示了量子非定域性的客观存在. 尽管量子非定域性的存在已经为实验所证实,然而,量子力学与相对论的不相容问题至今仍然没有得到满意的解决.根本原因在于,一方面,量子力学的理论基础仍没有坚实地建立起来,另一方面,量子力学所蕴含的非定域性又暗示了相对论的普适性将同样受到怀疑.