量子世界是什么样子的，量子力学对于没有涉及过这一方面的人来说，对于它的印象就是每一部科幻电影里的奇幻概念，不少人坚信里面的知识是正确的，下面小编带大家简单了解一下量子世界是什么样子的。
量子世界是什么样子的1
在遨游神奇的量子世界之前，要先回顾一下经典世界，也就是我们日常生活的世界。在20 世纪以前, 我们对经典世界的认识主要来自于牛顿爵士，他是人类历史上最著名的两大科学家之一。
牛顿的早年生活相当悲惨。他出生在英国的一个小村庄。在他出生前3 个月，他爸爸就去世了。3 岁那年，他妈妈又结了婚，牛顿被交给外婆抚养。牛顿怨恨妈妈遗弃了自己，甚至曾经想放火烧掉继父家的房子。直到他10 岁那年继父也过世了，妈妈才搬回来与他同住。16 岁那年，妈妈让他辍学，好帮家里干农活。幸好中学校长特别爱才，专门跑到他家去游说，说像他这么聪明的孩子，不读书实在太可惜。再加上他的舅舅也表示会在经济上帮忙，牛顿才重返校园。我们应该感谢这位了不起的中学校长：要是没有他，牛顿爵士就得一辈子修理地球了。
牛顿18 岁那年考上了剑桥大学三一学院。这是全世界最有名的学院之一。小朋友们应该知道，世界上有一个很了不起的大奖，叫诺贝尔奖，它包括物理、化学、生理学或医学、文学、和平和经济学六大类。迄今为止，剑桥大学三一学院的师生已经拿过32 次诺贝尔奖。要知道，整个亚洲，48 个国家，40 多亿人口，加起来也只拿过不到30 次诺贝尔奖。不过，拿了这么多次诺贝尔奖并不是三一学院闻名遐迩的主要原因。让这个学院名动天下的真正原因是，这里出了一个牛顿。
牛顿22 岁从剑桥大学毕业，那年英国爆发了一场大瘟疫，牛顿就回到自己家的农庄避难。在避难的那两年，他做出了三项影响后世数百年的伟大发现，分别是微积分、光谱学和万有引力。牛顿之所以能创造这样的奇迹，一个很重要的原因就是他特别用功。比如，有一次他请朋友到家里吃饭，朋友来了以后，却发现牛顿正在书房里废寝忘食地工作。朋友左等右等也不见他出来，就自己吃掉了一只鸡，留下一堆骨头后离开了。牛顿从书房出来，看到盘中的骨头后恍然大悟地说：“我还以为自己没有吃饭，原来早就吃过了”。说完，他又回书房工作去了。
两年后，牛顿重返剑桥，并于26 岁时当上了第二任卢卡斯数学教授。此后，牛顿的人生一直顺风顺水：29 岁被选为英国皇家学会的院士，46 岁当选为英国国会议员，56 岁当上英国皇家造币厂的厂长，60 岁成为英国皇家学会的院长。牛顿是历史上第一个被封为爵士的科学家，也是有史以来第一个享受国葬待遇的科学家。在他死后，一位诗人专门写了一首歌颂他的诗，诗里写道：“自然规律隐藏在黑暗之中。上帝说‘让牛顿去吧’，然后世界就有了光明。”
为什么牛顿爵士会获得如此高的声誉？因为他写了一部非常伟大的学术著作，叫《自然哲学的数学原理》。
在这部著作里，牛顿爵士建立了一门全新的学科，叫经典力学，也叫牛顿力学。其核心是牛顿三定律和万有引力定律。
牛顿第一定律说的是，如果没有外力，物体会一直保持它原有的运动状态。小朋友们在日常生活中经常会有这样的体验：你在家里打游戏打得正高兴，妈妈突然让你到外面去做运动，你肯定会觉得很烦；又如，你在外面玩得正开心，妈妈突然叫你回家吃饭，你肯定也会不愿意。类似的，一个静止的物体，你要是不去推它，它就会一直不动；而一个在真空中运动的物体，你要是不去拦住它，它就不会停下来。在物理学上，我们把物体想要保持原有运动状态的特性叫作惯性，所以牛顿第一定律也叫惯性定律。
牛顿第二定律说的是，力能改变物体运动的速度。我们可以想象，一个静止的物体，你推它一下，它就会动起来；而一个运动的物体，你把它抓住，它就会停下来。还有一点很关键：质量越大的物体，要改变其运动状态就得花更大的力气。举个例子：有一辆玩具小汽车朝你开过来，要想让它停下来，你只需伸手抓住它就可以了。但如果是一辆真正的汽车朝你开过来，要想使它停下来，一般人肯定做不到，得超人这样的超级英雄才行。我们可以将牛顿第二定律看成是一个懒人的定律：越懒的人，他的惰性就越大，改变起来也就越难。同样，越是质量大的物体，惯性就越大，改变起来也就越难。
牛顿第三定律是说，如果你对物体施加一个作用力，就会受到物体给你的一个大小相等、方向相反的反作用力。举个例子，很多小朋友，特别是男孩子，都喜欢拍皮球。当你拍皮球的时候会感到手疼。这是因为在拍球的时候，你的手对皮球施加了一个力，而皮球反过来也会给你的手一个大小相等的反作用力。你拍得越用力，手就会越疼，这是因为皮球给手的反作用力也相应变大了。
除了这三条运动定律，牛顿爵士还发现了一条关于力的新定律，叫万有引力定律。它说的是，任何两个有质量的物体之间都存在着一种彼此吸引的力，其大小与两个物体质量的乘积成正比，而与两个物体间距离的平方成反比。这种力普遍存在于整个宇宙。比如，让成熟的苹果从树上掉下来的就是这种力。再比如，让月球绕着地球转，以及让各大行星绕着太阳转的也是这种力。这种无处不在的吸引力被称为万有引力。
这几条定律都很简单，对不对？但你可不要小看这几条简单的定律。用它们，我们可以预言太阳何时会从东方升起，也可以预言月亮什么时候盈，什么时候缺。而且这些预言能精确到分、秒，甚至更短的时间。在宏观世界，也就是我们日常生活的世界中，大到日月星辰，中到江河湖海，小到柴米油盐，全都可以用牛顿爵士发现的这几条定律来精确地描述。
由于牛顿力学的巨大成功，20 世纪前的科学家普遍相信，牛顿三定律和万有引力定律就是主宰整个宇宙的终极真理。其中的代表人物就是法国著名数学家、物理学家拉普拉斯。
拉普拉斯在18 岁那年带着一封推荐信去了巴黎，想要见著名科学家达朗贝尔一面。达朗贝尔把他当成一个小毛孩子，让他吃了闭门羹。拉普拉斯就把一篇自己写的论文寄给了达朗贝尔。达朗贝尔看了论文后态度发生了180°的大转弯，不但马上见了拉普拉斯，还主动表示要当他的教父，后来甚至把他推荐到一个军事学校去教书。所以，当你足够优秀的时候，最好的推荐人其实就是你自己。
在那个军事学校里，拉普拉斯和一个矮个子的学生结下了不解之缘，他就是日后威震欧洲的拿破仑将军。随着拿破仑一步步地登上法兰西权力之巅，拉普拉斯也跟着飞黄腾达起来。拿破仑称帝的时候，他甚至被委任为法国的内政部长，相当于中国的公安部长。可惜，拉普拉斯虽然搞科研是一把好手，搞行政却是一个十足的饭桶，只在内政部长的位子上干了短短六个星期，就被忍无可忍的拿破仑免了职。
拉普拉斯是牛顿力学的忠实信徒。他曾说过，我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。如果一个智者能知道某一时刻所有的力和所有物体的运动状态，那么未来就会像过去一样出现在他的面前。这个拉普拉斯口中全知全能的智者，后来被人称为“拉普拉斯妖”。而这种认为牛顿力学强大到足以决定未来的观点，被称为决定论，在20 世纪以前一直是学术界的主流观点。
关于决定论的盛行，最好的例子就是拉普拉斯本人的故事。他用牛顿力学计算了太阳系中所有行星的运动，然后写成一本叫《天体力学》的书，献给了登基的拿破仑。拿破仑看了书后问他：“你这本书讲的全是天上的事，为什么一个字都不提上帝？”拉普拉斯回答：“陛下，在我的理论里，不需要假设上帝的存在。”
不过，到了20 世纪以后，科学家们发现，牛顿力学其实只适用于我们日常生活的宏观世界，放到尺度特别小的微观世界就行不通了。
小朋友们来跟我做一个简单的思想实验。一块石头，用锤子敲碎后会变成小石块；这个小石块也可以被敲碎，变成更小的石块。就这么一直敲下去，最后会敲出一个最小的石块，之后无论你怎么敲，都无法再分割它了。这个最小的“石块”就被称为原子。原子的概念，古希腊人早在2000 多年前就已经提出了。不过古希腊人所说的原子，完全是一种哲学上的思辨。最早从科学上阐述原子概念的人，是著名的奥地利物理学家玻耳兹曼。
讲一个关于玻耳兹曼的趣事。玻耳兹曼是一个很奇怪的老师，他上课时不喜欢往黑板上写东西，而是在讲台上一个人哇啦哇啦地讲个不停。有学生向他抱怨说，老师，你以后得在黑板上写公式，光讲不写我们都记不住啊。玻耳兹曼一口答应了。但到了第二天，他又在课堂上滔滔不绝地讲，最后还总结道：大家看这个问题，就像一加一等于二那么简单。然后他突然想起自己上次对学生的承诺，于是拿起粉笔，在黑板上工工整整地写上了“1+1=2”。
玻耳兹曼一直相信世界是由原子构成的，并以此为基础创立了一门叫统计力学的学科。不过在那个年代，大家普遍不相信原子论，所以，在学术上，玻耳兹曼有一大批反对者。这些人常年攻击原子论，甚至直接攻击玻耳兹曼本人，这让他感到很痛苦。玻耳兹曼曾感慨他是“一个软弱无力地与时代潮流抗争的人”。但玻耳兹曼并非孤军奋战，有一个年轻的德国科学家也站在他这边。不过玻耳兹曼心高气傲，觉得支持他的德国人是个无名小卒，根本看不上眼。然而，这个德国科学家不是别人，正是日后被称为“量子论之父”的普朗克。
现在的科学研究已经证明，原子的确是存在的。但它的尺寸非常小，只有1 米的100 亿分之一。它到底有多小呢？假如地球上的所有人都变得和原子一样小，把他们一个个地摞起来，最后还不如一个身高1 米的小朋友高。不过原子也不是最基本的粒子。在原子内部的中心，有一个带正电的原子核，它的大小只有原子的10 万分之一；而在原子核外面，还有带负电的电子，它们的尺寸更小。
我们已经说过，世界上的物质都是由原子构成的。除了原子外，还有一种常见的东西，那就是光。科学家早在19 世纪就已经发现，光其实是一种以光速传播的波。什么是波呢？波是某种东西在传播过程中振动的现象。比如，水波是由水的振动而产生的。再比如，声波是由空气的振动而产生的。波也有能量：其频率越高，或者说波长越短，波的能量越高。
在前面那张图中，中间有颜色的部分是我们眼睛可以看见的光，叫作可见光。雨后的天空经常会出现美丽的彩虹，它有赤橙黄绿蓝靛紫七种不同的颜色。可见光的频率范围，就介于红色光和紫色光之间。其中红色光的频率最低，波长最长，能量也最低；紫色光频率最高，波长最短，能量也最高。比红色光能量更低的是红外线，利用红外线可以制成夜视仪，遥控电视机、空调。比红外线能量更低的是微波，它可以用来加热物体。我们家里用的微波炉，就是利用了微波能加热物体的特性。还有比微波能量更低的，那就是无线电。我们的电视、广播、手机和无线网络信号，都是用无线电来传输的。
刚才说的都是能量比较低的光，下面来说说能量高的。比紫色光能量更高的是紫外线。如果我们长时间在外边晒太阳的话，皮肤就会被晒伤，而晒伤我们的就是紫外线。比紫外线能量更高的'是X 射线。X 射线的穿透本领很强，我们到医院体检拍X光片时，用的就是X 射线。比X 射线能量更高的是γ 射线。γ 射线的能量非常高，所以可以当是一种特殊的手术刀，来给病人做手术。
我们刚才说过，科学家早在19世纪就已经发现，光是一种以光速传播的波。但在1900 年，我们前面提到的普朗克有了一个惊人的发现：物体热辐射所发出的光，其能量并不连续，而是一份份的，大小等于光的频率乘以一个很小的常数，叫普朗克常数。我们所说的“量子化”，其实就是指这种物理量本身不连续、总是一份份分布的特性。换言之，在量子世界里，物理量总是存在着一个最小值，无法像在经典世界中那样，直接趋于零。这个伟大的发现开启了通往量子世界的大门，普朗克因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。
有一个关于普朗克的趣事。普朗克获奖以后，经常被邀请到各个大学去做演讲。由于报告内容都是一样的，久而久之，他的司机也能讲出来。有一次，司机和普朗克说，你的报告我已经倒背如流了，干脆下次演讲让我去吧。普朗克答应了。于是下一次演讲时，司机就顶替普朗克上台做报告，并且很顺利地完成了。但在接下来的观众提问环节中，有个观众问了个技术问题，直接把司机给难住了。幸好司机反应很快，回答道：“这个问题很简单，连我在台下的司机都能回答，让他来和你讲吧。”然后坐在台下的普朗克就上台救了场。
1905年，大物理学家爱因斯坦在人类理解量子世界的道路上又向前迈进了一步。他指出，光其实也是一种粒子，叫作光子。
我们给大家讲过，人类历史上有两位最著名的科学家。其中一位是牛顿爵士，另一位就是爱因斯坦。与牛顿爵士类似，爱因斯坦的早年生活也很不顺。爱因斯坦出生在德国的一个犹太家庭，他为了不在德国军队里服役，跑到瑞士去考大学。结果第一年高考时落了榜，到第二年他才考上苏黎世理工学院。爱因斯坦比较恃才傲物，在大学期间经常不去听课。更糟糕的是，那时的大学课堂不像现在，讲大课的时候，一个教室里有几十甚至上百个学生，所以你不去，老师可能也发现不了。但在爱因斯坦上大学的时候，一个教室里只有10 个学生，你不去，老师一抓一个准。由于爱因斯坦经常不去上课，他的老师们都对他很不满。当时他们物理系的系主任韦伯，就曾批评爱因斯坦不喜欢听从他人的意见。这导致了一个很严重的后果，就是爱因斯坦毕业的时候，没有在大学里找到工作。
大学毕业后的两年，爱因斯坦过得相当艰难。他曾经在中学教过课，给小孩子做过家教，甚至还当过一段时间的无业游民。后来靠一个大学好友的父亲帮忙，才在伯尔尼专利局找到了一份稳定的工作。这份工作薪水不高，但比较空闲，这样爱因斯坦就有时间从事他心爱的物理学研究了。
到了1905 年，原本默默无闻的爱因斯坦突然进入人们的视野，他在一年之内做出了三项震惊世界的重大发现，分别是狭义相对论、布朗运动和光电效应。由于爱因斯坦的神奇表现，后来人们把1905 年称为“爱因斯坦奇迹年”。在爱因斯坦的三大发现中，光电效应是人类在理解量子世界的道路上迈出的第二步，爱因斯坦也因此获得了1921 年的诺贝尔物理学奖。
——本文选自李淼著民主与建设出版社《给孩子讲量子力学》，详细精彩内容请读原著。
量子世界是什么样子的2
量子是什么？根据量子理论，量子是构成物质的最基本单元，是能量的最基本携带者，不可分割。一个事物如果存在最小不可分割的基本单位，我们就可以说它是量子化的，并把最小单位称为量子。所有人们熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都是量子的一种表现形态。
量子科技为什么重要？
首先，量子力学建立以后，就成为整个微观物理学的理论框架，带来了后者一个又一个的成功。量子力学解释了化学。元素周期表、化学反应、化学键、分子的稳定性等，都是量子力学规律所导致。
量子力学帮助我们理解宇宙。我们的宇宙跨越各种尺度，从光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子构成的凝聚态物质。量子力学对于认识这些都起了重要的作用，也因此成为现代技术的基础。
在微观的尺度上，各种基本力的统一是理论物理的重大问题，依赖于量子力学。其他的未解之谜（如暗物质和暗能量）的解决也依赖于量子力学。
很多天文现象，例如恒星发光、白矮星和脉冲星、太阳中微子的振荡、宇宙背景辐射，乃至宇宙结构的起源等，都是因为量子力学规律。
很多材料性质，比如导体、绝缘体、磁体、超导等，源于电子的量子行为。量子力学带来了丰富的技术和应用，深刻地改变了人类的文明和历史。它让我们拥有了来自原子核能量这一新能源，也让我们更有效利用太阳能。核弹影响了世界历史，核电则是核能的和平利用。
量子力学为信息革命提供了硬件基础。激光、半导体晶体管、芯片的原理都源于量子力学。量子力学也使得磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位导航等新技术成为可能。没有量子力学，互联网和智能手机也不会存在。量子力学也为材料科学技术、医学和生物学提供了分析工具，包括X射线、电子显微镜、正电子湮没、光学和磁共振成像等。
早在20世纪90年代，诺贝尔物理学奖得主莱德曼就指出，量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。如今这个比例还要更高。对于我国来说，量子科技的市场前景也相当广阔，且发展速度极快。就我国的量子通信行业而言，2017年市场规模就达180亿元，预计到2023年将达805亿元。
相较而言，我国在量子计算领域仍处于追赶世界先进水平的阶段。而在量子通讯领域，中国已经走在了世界前列。2016年，我国“墨子号”试验卫星的成功发射标志着中国量子通信产业化的开端。2017年世界首个远距离量子保密通信骨干网“京沪干线”正式建成开通。与传统通讯方式相比，量子通讯具有长期性和高安全性的特点，能够充分满足政务、国防、金融等敏感领域的信息传输保密要求。同时，量子通讯产业也是自近代以来第一个由中国开启的全新产业，具有里程碑的意义。
所谓量子通信，简单说就是利用量子力学相关原理解决信息安全问题的通信技术。其中，一个著名原理就是量子纠缠。一般情况下，量子体系中一个物理量的值并不能预先确定，而是依赖于采取何种测量基；进一步，对处于量子纠缠的两个粒子，对其中一个粒子的测量结果会瞬间确定另一个粒子的状态，不论它们相距多么遥远。这一被爱因斯坦称作“鬼魅般的超距作用”，便是量子通信的理论基础。
传统通信方式建立在加密算法或者加密技术基础之上，如果计算能力足够强大破解了加密算法，就有被窃听风险。量子的独有特性，使其具有不可克隆、测不准等“先天优势”。用量子做成的“密钥”来传递信息，加密内容不会被破译，窃听者必然会被“抓包”，这为破解信息加密“瓶颈”提供了解决方案。
向着安全通信的梦想努力奔跑——我国于2016年8月份发射的“墨子号”量子科学实验卫星，在2017年星地量子密钥分发的成码率已达到10千比特/秒（kbps）量级，成功验证了星地量子密钥分发的可行性。目前，经过系统优化，密钥分发成码率已经达到100千比特/秒（kbps）量级，具备了初步实用价值。
1120公里！2020年，“墨子号”量子科学实验卫星再立新功：科学家们利用“墨子号”作为量子纠缠源，向遥远的两地分发量子纠缠，在国际上首次实现了千公里级基于纠缠的量子密钥分发——为量子通信走向现实应用奠定了重要基础。
当今世界正经历百年未有之大变局，科技创新是其中一个关键变量。具体到量子科技领域，我们仍需加强顶层设计与前瞻布局，健全政策支持体系，加快基础研究突破与关键核心技术攻关，培养造就高水平人才队伍，促进产学研协同创新。这些工作不能仅依靠科技工作者努力奋斗，更需要有各级党委和政府的战略判断、高度支持与统筹协调，需要各级政府部门高度重视科技创新发展，学习新知识，掌握新动态。
我们期待着，在世界新一轮科技革命与产业变革中，中国能抢占科技发展国际竞争制高点，构筑发展新优势——量子科技将成为其中最璀璨的明珠之一。
