量子究竟是什么？｜科技袁人

量子是离散变化的最小单元，这个才是对它的精确的定义。

本视频是2021年9月11日袁岚峰老师关于“量子信息原理与技术”主题的直播节选

那么说来说去最最基础问题就是说，量子究竟是什么？因为它名字叫做“子”对吧？所以有很多人立刻就觉得，量子应该是个粒子，你们平时都知道有电子、质子、中子、中微子等等这些都是子，它的第一反应就是说量子是个什么子呢，它跟这些电子、质子、中子、中微子相比，它究竟是大是小呢，最基本的回答就是说，这个问题本身就是错的，这个量子根本不是这个意思，量子不是个粒子，量子的正确理解是什么？

量子是离散变化的最小单元，这个才是对它的精确的定义。

什么叫做离散变化呢？最典型的表现就是像左边这个图，就是上台阶，上台阶的特点就是说，你可以上一个台阶两个台阶三个台阶，但是你不可能上半个台阶对吧？假如你上半个台阶，结果你会摔倒，就会住医院了是吧？然后平时我们统计人数的时候也是这样，你可以数出有一个人、两个人、三个人，但是不可能有半个人是吧？这种叫做离散变化。

所以对于这种离散变化，变化最小的那一格，那最小的单元就是一个量子，所以对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子，对于统计人数来说，一个人就是一个量子。

所以当我们提到量子这个词的时候，我们一定要说它是对于某个事物的量子，比如说光子就是光的量子，就是说我们平时见到一束光，它是由很多个光的量子组成的，这一个光的量就是一个光子，然后电子最初是在阴极射线当中发现的，比方说我们看下面这个图，19世纪末的时候，约瑟夫·约翰·汤姆逊（JOSEPH JOHN THOMSON）他首先发现了电子，那时候是以阴极射线形式出现的，从阴极打出这么一束射线，你用一个磁铁可以使它偏转，可见它是带负电。

现在我们知道阴极射线其实就是电子束，这里面就是一个个电子组成，你可以有1个电子、2个电子，但是不能有半个电子，所以电子就是阴极射线的电子，阴极射线的量子，所以大家就记住了，每当我们谈到量子的时候，它一定是针对某个事物的量子，并没有某个粒子专门叫做量子，所以你不可能去问量子跟电子、质子、中子相比是大是小，这个问题本身就是错的。

那么在微观世界当中，有一大类现象，它都是量子化的，就是说它是离散变化的，就是不连续的变化，比如说氢原子的能级，这个氢原子是世界上最小的原子，它只有一个电子，然后这一个电子，它可以出现的能量是分立的，比方说最低的能量是-13.6EV，图中单位是EV，EV是什么意思呢，是ELECTRON-VOLT，就是电子伏特，它是一个能量单位，最低的，就是现在标准1的-13.6EV，上一节呢，第二个是-3.4，负的3.4是怎么来的呢？是-13.6除以4，就是除以2的平方，再上一个是它除以3的平方，再上一个是除以4的平方，就是说第N个能量，就是-13.6EV除以N的平方，它并不是等间距的，但是它确实是分立的，也就是说你可以在这个，N取1到任何一个数值都可以，但是你不会在这中间出现一个能量，比方说你不会出现-11EV对吧？所以对于这种不连续的变化，我们就称它为量子化了。

所以这个微观世界，它的一大本质特征，就是说有很多物理量都是量子化的，所以有整个一个大的基础物理学科叫做量子力学。