量子到底是什麼「子」？

在上一回的內容中，我們談到人類在經典領域——物理、化學、生命科學領域的探索，牛頓推翻了亞里士多德式的科學探索思維和方法，建立了數學證明、實驗驗證的科學體系，這也成為了真正的科學的基礎。但是，牛頓的「力學宇宙」能否大一統宏觀世界和微觀世界呢？

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1661年，自然哲學家羅伯特·玻意耳認為物質是由不同的「微粒」或原子自由組合的，而不是由諸如氣、土、火、水等基本元素組成（亞里士多德的觀點）。18世紀末，法國科學家拉瓦錫定義了原子一詞，從此，原子就用來表示化學變化中的最小單位。1803年，道爾頓用原子的概念解釋了為什麼不同元素總是呈整數倍反應，即倍比定律。1827年，英國植物學家羅伯特·布朗通過實驗觀察到灰塵在水面的不規則運動，即布朗運動，進一步證明了微粒學說。（摘自百度百科）

這便是原子的「發現」的大概歷史，當我們談及量子的時候，很容易將其與原子、電子、中子、中微子.....等諸多概念進行比較、聯想，而在這些概念中，原子的存在無疑是最基本，也是最重要的——它是下列故事出現的重要背景。

1900年，德國科學家普朗克（Max Planck）在研究「黑體輻射」問題時，他發現藉助經典牛頓力學無法合理地解釋實驗現象，他還發現必須把輻射攜帶的能量離散化處理，才能推出和實驗一致的公式。普朗克發現，一個離散單位，或者說一個量子的光能量等於頻率和一個比例因數之積，該因數成為普朗克常數。

愛因斯坦沿著普朗克的思路，提出了「光量子」假說（簡稱「光子」）假說，不但解決了黑體輻射的問題，還成功地解釋了光電效應（光照射金屬從而使它釋放電子的效應，如今的煙霧報警器、紅外人體探測器都是光電效應的應用）。為此，愛因斯坦在1921年獲得了諾貝爾獎：「該獎頒發給艾爾伯特·愛因斯坦，感謝他為理論物理學做出的貢獻，尤其是他對光電效應定律的發現做出的貢獻」（遺憾的是並不是因為相對論的發現而獲獎）。十分諷刺的是，光電效應的實驗證明是由光子理論最初的反對者之一羅伯特·密立根完成的，為此他獲得了1923年的諾貝爾獎。

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光子理論提出之後，近十年的時間內，有關量子的相關理論幾乎停滯不前，愛因斯坦本人轉向其狹義相對論的完善之中。直到尼爾斯·玻爾的出現。

道爾頓提出了世界上第一個原子的理論模型，儘管後來證實這是一個失敗的理論模型，但他的工作無疑是具有開創性的。還記得初中物理中提及原子這部分內容時，最令人印象深刻的應該算是「葡萄乾模型」，該模型的提出者是湯姆遜（1897年由他發現了電子）。

湯姆遜原子模型

湯姆遜的學生盧瑟福完成的α粒子轟擊金箔實驗（散射實驗），否認了葡萄乾麵包式模型的正確性。1911年盧瑟福提出行星模型：原子的大部分體積是空的，電子按照一定軌道圍繞著一個帶正電荷的很小的原子核運轉，該模型以經典電磁學為理論基礎。

盧瑟福「行星模型」

1913年玻爾提出玻爾模型，在該模型中電子不是隨意佔據在原子核的周圍，而是在固定的層面上運動，當電子從一個層面躍遷到另一個層面時，原子便吸收或釋放能量。

玻爾量子軌道模型

在玻爾提出量子軌道模型之後，科學界並沒有很快的接受這種觀點，十年之後，量子軌道模型被廣泛認可，因而大家也相信了普朗克和愛因斯坦早期的著作。

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此後，德布羅意（Louis V. de Broglie）、海森堡（Werner K. Heisenberg）、薛定諤（Erwin R. J. A. Schrodinger）、狄拉克（Paul A. M. Dirac）等人提出了一個又一個新概念，一步一步擴展了量子力學的應用範圍。

在這些偉大的物理學家之中，薛定諤（真的不是姓薛的中國科學家）因為其著名的思想實驗「薛定諤的貓」而聞名：在一個盒子里有一隻貓，以及少量放射性物質。之後，有50%的概率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓，同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。根據經典物理學，在盒子里必將發生這兩個結果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道裡面的結果 。在量子的世界裡，當盒子處於關閉狀態，整個系統則一直保持不確定性的波態，即貓生死疊加。

薛定諤的貓

海森堡將矩陣代數運算引入了量子力學，提交的一篇量子理論論文，泡利使用該理論得出了氫元素的譜線，並展示了他們是如何受到電場和磁場的影響的——這是量子理論的首次實際應用。

海森堡學說所得出的成果之一是著名的「不確定性原理」。這條原理由他在1927親自提出，被一般認為是科學中所有道理最深奧、意義最深遠的原理之一。

END

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量子理論的出現實際上是新的世界觀的勝利。經典力學推崇的是運動尊重一定的必然性，即如果怎樣，必定怎樣，因果之間存在著近乎100%的概率；而量子理論的出現則表明，物質的運動存在一定的概率因素，而這種概率機制是由物質本身決定的，而非外界因素的影響。之所以經典力學在微觀世界中無法得到應用，是因為離散變化是微觀世界的一個本質特徵，這已經超出了人類的感官世界，因為我們日常生活的世界即宏觀世界是連續的。

量子理論目前已經在除了力學以外的諸多領域得到了廣泛的應用，例如量子信息學——墨子號的量子通信實驗。量子理論與信息科學的結合，使得單純的二進位世界變得多元化（疊加），使得我們可以在相同的單元大小存儲更多的信息。有興趣的讀者可以參考http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081.shtml。

最後，回答一下本文標題提出的問題：「量子是什麼『子』？」，相比讀者讀到此處心裡已經有了答案：撇開語境，量子什麼都不是，只是一個簡單的數學概念；針對特殊的粒子，它表示該粒子的基本能量單元，例如光子（光量子）。

周末愉快！

圖片來源自百度百科，特此聲明

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