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        “量子”到底是什么?她顛覆了我們太多的傳統(tǒng)認(rèn)知

        放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2021-08-17 14:59:43    作者:本地管家張欣音    瀏覽次數(shù):43
        導(dǎo)讀

        如果你是科學(xué)愛好者,一定會(huì)非常熟悉“量子”的概念!甚至可以這樣說,即使你對(duì)科學(xué)毫無興趣,生活中也會(huì)聽說過“量子”這個(gè)詞語(yǔ)。“量子”已經(jīng)與我們的生活息息相關(guān),也成為高科技的代表,成為很多人茶余飯后的談資

        如果你是科學(xué)愛好者,一定會(huì)非常熟悉“量子”的概念!甚至可以這樣說,即使你對(duì)科學(xué)毫無興趣,生活中也會(huì)聽說過“量子”這個(gè)詞語(yǔ)。“量子”已經(jīng)與我們的生活息息相關(guān),也成為高科技的代表,成為很多人茶余飯后的談資。

        但究竟什么是“量子”?她是一種基本粒子嗎?這樣的問題恐怕需要一定的物理學(xué)知識(shí)才能解答,否則很容易望文生義,誤解了“量子”的本意。

        單從字面上來看,量子似乎與分子,原子,質(zhì)子,中子,電子等一樣都是微觀粒子,事實(shí)上并不是這樣的,量子并不是一種微觀粒子!

        那么量子到底是什么呢?簡(jiǎn)單說,量子是一種物理概念,并不是具體的物體。物理學(xué)是這樣定義的,量子似乎一個(gè)物理量上存在最小的不可分割的基本單位,如果一個(gè)物理量存在這樣的單位,我們就稱這個(gè)物理量是可以量子化的,這個(gè)不可分割的最小的單位就被稱為“量子”。

        用一個(gè)宏觀例子能更通俗地理解量子的概念。假如全體人類就是一個(gè)物理量,那么我們每個(gè)人就是不可分割的最小單位,你我都是量子,因?yàn)橐粋€(gè)人不可能再進(jìn)行分割,強(qiáng)行分割也就不是人了!

        還有我們平時(shí)使用最多的現(xiàn)金,如果現(xiàn)金是一個(gè)物理量,那么一分錢就是不可分割的單位,也就是量子,因?yàn)橐环皱X不可分割,半分錢是沒有意義的!

        如此通俗地解釋過后,相信很多人對(duì)量子的概念都有了更深的認(rèn)知。但事實(shí)上遠(yuǎn)非如此,量子的定義很好理解,但與量子有關(guān)的概念很難讓人理解,因?yàn)榱孔拥南嚓P(guān)概念完全顛覆了我們?cè)诤暧^世界的認(rèn)知。

        在我們生活的宏觀世界,我們觀察到的任何變化都是連續(xù)的,比如一輛汽車從你身邊呼嘯而過,汽車與你的距離是連續(xù)變化的,同時(shí)汽車的速度也是連續(xù)變化的。還有一顆小樹苗長(zhǎng)成參天大樹也是連續(xù)變化的,不可能跳躍式生長(zhǎng)。

        但在微觀世界(量子世界),一切變得如此詭異,因?yàn)榱孔痈拍畹拇嬖冢孔邮澜缡遣贿B續(xù)的,物理量的變化是離散的,跳躍式的。最常見的例子就是電子躍遷。電子在原子核外層規(guī)范隨機(jī)出現(xiàn),但這種隨機(jī)也是受約束的,并不是隨意出現(xiàn)在任何地方,而是按特定的軌道出現(xiàn)的,只能從一個(gè)軌道直接躍遷到另一個(gè)軌道,而不能出現(xiàn)在兩個(gè)軌道之間。也就是說,電子是從一個(gè)軌道直接“瞬移”到另一個(gè)軌道的,中間沒有過程速度之說。

        如果電子的這種行為出現(xiàn)在宏觀世界,你就知道有多詭異了。就好比你在客廳看電視,你媽媽在廚房做飯,突然你媽媽出現(xiàn)在你面前,沒有任何走動(dòng)的過程,你是不是會(huì)被嚇破膽?

        我們經(jīng)常所說的光子其實(shí)是“光量子”的簡(jiǎn)稱,因?yàn)楣庖彩强梢粤孔踊奈锢砹浚庾泳褪枪獾淖钚挝唬庠趥鬟f的過程中也不是連續(xù)的,而是一份一份的。而光其實(shí)就是能量,這意味著能量也是離散的,并不是連續(xù)的。

        量子有以下重要基本特征。

        第一,量子疊加。在我們生活的宏觀世界,任何物體都只可能有一種狀態(tài),比如說你在玩電腦,你只可能在電腦前,不可能再出現(xiàn)在其他地方,這是一個(gè)基本生活常識(shí)。

        但在量子世界,一切都完全不同,一個(gè)量子可以同時(shí)擁有多種狀態(tài),同時(shí)出現(xiàn)在不同的地方。而一旦我們想要觀察看看量子究竟處于什么狀態(tài),量子馬上就坍縮為其中一種狀態(tài),從不確定性坍縮為確定性。

        這就好比在宏觀世界,你既可以在家里看電視,同時(shí)也可以在學(xué)校上課,還可以在網(wǎng)吧玩游戲。如何確定你的狀態(tài)呢?只有去觀測(cè),一旦實(shí)施觀測(cè),你的狀態(tài)就確定了!

        量子的這種特性如此詭異,難怪愛因斯坦會(huì)如此反駁波爾:不看月亮是她就不在那里嗎?

        在宏觀世界當(dāng)然不可能(其實(shí)也是有可能的,但可能性太小太小了,完全可以忽略不計(jì)),但在微觀世界這種現(xiàn)象到處可見。

        在微觀世界,正是因?yàn)榱孔盈B加的存在,量子可以同時(shí)處理多個(gè)事件,而利用量子的這種特性可以大大提升計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度,這也是量子計(jì)算機(jī)的顛覆性所在。

        量子計(jì)算機(jī)的速度遠(yuǎn)超如今我們使用的普通計(jì)算機(jī),到底有多快?舉個(gè)例子就知道了。比如說用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)分解一個(gè)300位的數(shù),需要十幾萬年的時(shí)間才可以完成,而用量子計(jì)算機(jī)只需要幾秒鐘就能完成!

        量子糾纏。何為“量子糾纏”?當(dāng)幾個(gè)量子發(fā)生相互作用后,就會(huì)成為一個(gè)不可分割的整體,處于糾纏態(tài),不能單獨(dú)描述其中一個(gè)量子的特性。無論量子之間相距多遠(yuǎn),整體狀態(tài)不會(huì)發(fā)生改變。其中一個(gè)量子的狀態(tài)發(fā)生改變,其他量子的狀態(tài)立刻也會(huì)跟著發(fā)生相應(yīng)改變,以保證量子的整體性不會(huì)改變!量子之間就好像有“心靈感應(yīng)”一樣,能瞬間感應(yīng)到彼此!

        比如說,即便兩個(gè)糾纏的量子分別被放在宇宙的兩端,只要其中一個(gè)量子的自旋方向發(fā)生改變,另一個(gè)量子的自旋方向也會(huì)跟著馬上發(fā)生變化。

        而一旦我們對(duì)其中一個(gè)量子進(jìn)行觀測(cè),量子的狀態(tài)馬上確定下來,同時(shí)量子之間的糾纏關(guān)系立刻消失,整體性也不復(fù)存在,兩個(gè)量子不再有任何關(guān)系!

        量子的這種糾纏態(tài)通常會(huì)被應(yīng)用在量子密鑰分發(fā)領(lǐng)域,極大地提升保證信息的安全系數(shù)。一旦信息被竊聽(也就是觀測(cè)),量子糾纏作用馬上就會(huì)消失,這樣信息的分發(fā)者立刻就能知道有人在竊聽盜取信息了!理論上這種信息分發(fā)的安全系數(shù)可以是百分之百的。

        量子隧穿。何為“量子隧穿”?用宏觀世界的例子更好理解。比如說在我們的宏觀世界,赤手空拳的你在面對(duì)一堵10米高的墻時(shí),無論如何是不可能翻越過去的,用微觀世界的術(shù)語(yǔ)就是:10米遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了你的“能量勢(shì)壘”!

        但在微觀世界一切大不一樣。量子(還有各種微觀粒子)有一定幾率突破自己的“能量勢(shì)壘”,直接“翻越過去”。這種幾率雖然并不大,但由于微觀粒子數(shù)量太龐大了,能突破能量勢(shì)壘的微觀粒子絕對(duì)數(shù)量也會(huì)很多的。

        在我們的太陽(yáng)內(nèi)部,1500萬度的高溫本來是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到核聚變條件的,但正是因?yàn)榱孔铀泶┬?yīng),總有一些微觀粒子突破“1500萬度”的低溫約束發(fā)生核聚變。

        量子隧穿效應(yīng)早已經(jīng)應(yīng)用在我們?nèi)粘J褂玫漠a(chǎn)品當(dāng)中,比如最常見的半導(dǎo)體,掃描隧道顯微鏡等產(chǎn)品。

        隨著科學(xué)家對(duì)量子力學(xué)的深入研究,將會(huì)有越來越多的量子產(chǎn)品出現(xiàn)在我們身邊,在不遠(yuǎn)的未來很可能引發(fā)新一輪技術(shù)革命!

         
        (文/本地管家張欣音)
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