首页 > 热闻趣事 > 量子通信——量子的概念与量子力学

量子通信——量子的概念与量子力学

2019-08-17 08:31:36

随着量子实验卫星——墨子号的升空,京沪量子保密通信干线的建成与试运营,量子通信逐渐被大家所知,也成为舆论的热点,随之而来的各种“观点”也铺天盖地的袭来,这其中有很多质疑和民科的自我幻想。

量子(Quantum): 到底什么是量子,量子比质子、中子、原子、电子、分子小呢?还是比它们大呢? 之前好像没听过量子,初中物理就讲过,分子由原子组成,原子是由电子和原子核组成,原子核是由质子和中子组成。 什么时候出来了个量子?

量子通信——量子的概念与量子力学

量子是一个数学概念,是“离散变化的最小单元”。量子跟原子、电子根本不能比较大小,因为量子不特指某一种“粒子”,它是一个抽象的人为定义的概念,就像数学里面的数字,0、1、2;我们能说1个原子比2个原子少一个,2个质子比1个质子多出一个,却不能说1 比2个原子少,因为本身的定义不一样,谁也不能说3比5个手机要少。

量子通信——量子的概念与量子力学

量子是怎么来的?德国科学家普朗克在研究“黑体辐射”问题时,发现必须把辐射携带的能量当作离散变化的量,这样才能计算出与实验一致的数据。也就是说起初是将辐射携带的能量看做是连续的量,在这个基础上积分,所得到的结果是热辐射的能量极大,人根本不能靠近,这与现实是相悖的,比如有一个烧红的铁棍,人们靠近它是没什么问题;后来普朗克将辐射能量按照离散量去处理,在这个基础上去积分,所得到的值与实验测量所得到的值一致。普朗克提出:能量子(量子)是能量的最小单位。物体吸收或发射电磁辐射,只能以能量量子的方式进行。光的量子是光子。

量子通信——量子的概念与量子力学

亚博体育平台维护亚博老虎机亚博在线娱乐官网登录那么,什么叫“离散变化”呢?比如统计人数,可以说1个人、2个人,但不可能有半个人、1/3个人。1/3个人怎么活? 即使是有残疾的人,在统计的时候也要说那是1个人,对于统计人数来说,一个人就是一个量子,是统计当中的”最小单元“。如果某个东西只能离散变化,我们就说它是“量子化”的。离散变化相对的是”连续变化“,比如声音,声音可以是10分贝,10.1分贝,10.2分贝 ..... 10.21分贝,这就是连续变化,学过模电和数电的人知道,有连续变化模拟量,和离散变化的数字量;学计算机的也知道计算机里面的 0 和1 是离散量。

量子力学

离散变化是微观世界的一个本质特征,准确描述微观世界的物理学理论就是量子力学。除了离散变化是微观世界的特征外,随机也是一个本质特征。

微观世界中的离散变化包括两类,一个是物质组成的离散变化,一个是物理量的离散变化。

物质组成的离散变化:例如光是由一个个光子组成的,你不能分出半个光子、1/3个光子,所以光子就是光的量子。阴极射线是由一个个电子组成的,你不能分出半个电子、1/3个电子,所以电子就是阴极射线的量子。

量子通信——量子的概念与量子力学

物理量的离散变化:例如氢原子中电子的能量只能取-13.6 eV(eV 是“电子伏特”,一种能量单位)或者它的1/4、1/9、1/16 等等,总之就是-13.6 eV除以某个自然数的平方(-13.6/n^2 eV,n可以取1、2、3、4、5等),而不能取其他值,例如-10 eV、-20 eV。氢原子中电子的能量是量子化的,位于一个个“级别”上面。每一种原子中电子的能量都是量子化的,这是一种普遍现象。而不是连续的,不能随便取个任意值。这也解释了为什么电子不会落在原子核上,而是”绕着原子核运动“。

在之前普朗克的基础上,爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等人提出了很多新概念,扩展了量子力学的应用范围。1930年代,量子力学的理论大厦已经基本建立起来,能够对微观世界的大部分现象做出定量描述了。

量子力学的作用

描述微观世界必须用量子力学,宏观物质的性质又是由其微观结构决定的。因此,不仅研究原子、分子、激光这些微观对象时必须用量子力学,而且研究宏观物质的导电性、导热性、硬度、晶体结构、相变等性质时也必须用量子力学。许多最基本的问题,是量子力学出现后才能回答的。例如:为什么原子能保持稳定,例如氢原子中的电子不落到原子核上?(因为氢原子中电子的能量是量子化的,最低只能取-13.6 eV,如果落到原子核上就变成负无穷,低于这个值了。)

量子通信——量子的概念与量子力学

为什么原子能形成分子,例如两个氢原子H聚成一个氢气分子H2?为什么原子有不同的组合方式,例如碳原子能组合成石墨、金刚石、石墨烯?为什么食盐NaCl会形成离子晶体?为什么有些物质例如铜能导电,有些物质例如塑料不导电?为什么有些物质例如硅是半导体?为什么有些物质例如水银在低温下变成超导体?为什么通过观察宇宙中的光谱线能知道远处星球的元素组成?……现代社会的技术成就,几乎全都与量子力学有关。

量子通信——量子的概念与量子力学

有很多渲染量子力学如何难以理解的说法,如“连爱因斯坦都理解不了量子力学”,“费曼说,没有人理解量子力学”。这些说法会误导不了解量子力学的人,会让大家认为量子力学是一种玄学、禅机,一种类似诡辩的东西。量子力学是一套清晰的数学框架,可以看成是微观世界运行的一本操作手册。就像计算机操作系统使用指南一样。

谢谢您阅读观看美众网收集整理的“量子通信——量子的概念与量子力学”。