量子究竟是什么

量子(quantum)是现代物理的重要概念。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。

1900 年,普朗克首次提出量子概念,用来解决困惑物理界的“紫外灾难”问题。

紫外灾难:19世纪末,科学界许多科学家已经开始深入研究电磁波,由此诞生了黑体,黑体则是属于热力学范畴,黑体是一个理想化了的物体,为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律,物理学家以此作为热辐射研究的标准物体。

它能够吸收外来的全部电磁辐射,并且不会有任何的反射与透射。换句话说,黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1,透射系数为0。而我们知道一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射,温度愈高,辐射出的总能量就愈大,短波成分也愈多。

随着温度上升,黑体所辐射出来的电磁波则称为黑体辐射。紫外灾难则指的是在经典统计理论中,能量均分定律预言黑体辐射的强度在紫外区域会发散至无穷大,这和事实严重违背。

普朗克假定,光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的,而是一份一份的,一份“能量”就是所谓量子。

然而当时的物理界,包括普朗克本人,都讨厌“量子”这个怪物,千方百计想要将它消化在经典物理的世界之中,但却屡试不果。

唯有爱因斯坦独具慧眼,提出了“光量子假说”,他认为光辐射不仅在于与物质相互作用时的能量是一份一份的,光辐射的能量,本身就是“量子化”的,一份能量就是光能量的最小单元,后来称之为“光量子”,或简称“光子”。

后来,在两者基础上,以玻尔为首的哥本哈根学派发展出来了量子力学,哥本哈根诠释也就成为量子力学的正统解释,其中恩的概率解释、海森堡的不确定性原理和玻尔的互补原理,三者共同构成了“哥本哈根解释”的核心,量子力学与相对论共同构成了现代物理体系的两大支柱。

按物理运动规律的不同,我们将遵从经典运动规律(牛顿力学,电磁场理论)的那些物质所构成的世界称为“经典世界”,将遵从量子力学规律的那类物质所构成的世界称为“量子世界”。“量子”就是量子世界中物质客体的总称,它既可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子,也可以是BEC、超导体等宏观尺度下的量子系统,其共同特征就是必须遵从量子力学的规律。

量子所具有的重要特性

量子所具有的比较重要的特性有量子叠加、量子纠缠。

量子叠加最有名的就是“薛定谔的猫”理论了,薛定谔的猫是指在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。但是在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后才能够知道。

这里涉及到了一个电子双缝实验实验,在德布罗意提出了波粒二象性之后,戴维孙和革末通过实验确认了一切物质都具有波粒二象性后。量子力学认为当人们没有对粒子进行观察的时候,它们是以波的形式运动,由于存在干涉,穿过双缝后会出现一道道痕迹。一旦观测后,它们立刻选择成为粒子,就不会产生干涉,穿过双缝留下痕迹。

然而,薛定谔忘记了量子力学是旨在探究微观领域,而非宏观世界,有时候宏观世界是无法用来解释微观世界的。

量子力学的一个中心原则就是粒子可以存在于叠加态中,能同时拥有两个相反的特性,也就是我们说的波粒二象性。尽管我们在日常生活中常常面对“不是A就是B”的抉择,而但在微观世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的,就好像我们经常说一个人,不能简单判断他是善恶一样。

薛定谔的猫可以说非常生动形象让大家看清了量子力学的本质—— 一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。

叠加状态会引起量子纠缠,在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子缠结或量子纠缠(quantum entanglement)。

量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象;在经典力学里,找不到类似的现象。举一个例子,在微观世界里,两个纠缠的粒子可以超越空间进行瞬时作用。也就是说,一个纠缠粒子在地球上,另一个纠缠粒子在月球上,只要对地球上的粒子进行测量,发现它的自旋为下,那么远在月球上的另一个纠缠粒子的自旋必然为上。

除此之外,量子还有一个有趣的现象,就是量子隧穿效应,举个例子,假如人在赶路,前面有一座大山挡住了去路,那么人如果要前往大山的另外一边,那么你就只能翻过山去。但是对于粒子而言,它可以直接穿过去,即使能量不足,也可以穿山而过。这就是粒子穿墙术——量子隧穿效应。

基本粒子没有形状,没有固定的路径,不确定性是它唯一的属性,既是波,也是粒子,就像是我们对着墙壁大吼一声,即使99.99%的声波被反射,仍会有部分声波衍射穿墙而过到达另一个人的耳朵。因为墙壁是不可能切断物质波的,只能在拦截的过程中使其衰减。

量子科学目前来说,最广泛的应用是量子通信和量子计算机。经典通信较光量子通信相比,其安全性和高效性都无法与之相提并论。安全性-量子通信绝不会“泄密”,量子通信技术被认为是“保障未来信息社会通信机密性和隐私的关键技术”。

而量子计算则被认为是第四次工业革命的引擎,目前,科学界普遍认为,第四次工业革命将会在核聚变、量子技术、5G、人工智能、基因工程这5者之中诞生。

目前来说,经典计算机的发展已经陷入瓶颈,随着晶体管体积不断缩小,计算机可容纳的元器件数量越来越多,产生的热量也随之增多。其次,随着元器件体积变小,电子会穿过元器件,发生量子隧穿效应,这导致了经典计算机的比特开始变得不稳定。

晶体管

科学家认为量子计算机可以突破目前的困境,量子计算是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。

2021/5/8

回来的时候空旷安宁,只有干干净净的路灯与树影,和她照片那头的夜车灯光一样干净。那时候骑车穿梭过一片三角梅花墙,心满意足地想,命运的安排多有意思啊,它让我们拥有了许多的共同经历——凌晨的科华路,虚晃的火锅烟儿,动感的节奏,车流与华灯,黑沉沉的天穹与泛冷的夜风。正是这些共同的经历,才建构了“我们”,各自独立又互相需要的我们。
一起翻看各自记录的往事。爱写一点碎片,拍一点影像,所以闪光。

#歲月唬一碗#

✨ #扇贝本周之星# ✨ 第41期
本周宝藏同学 @ 大犬三羊古石厂

1⃣️ 走出小山村,考入重庆大学

1988年,我出生在重庆大巴山的一个小乡村里。村里到镇上得走3小时山路,镇上到县里得坐5小时客车,环境虽然艰苦,但仰仗父母的勤劳,家中条件也不断得到了改善。

5岁那年,我不幸患上霍奇金淋巴瘤,没怎么见过大世面的父母想尽了一切办法,先后四次带我到成都华西医科大学附属医院进行化疗与放疗。

为了给我治病,家中积蓄耗尽,还欠了一大笔债。但好在华西医术高超,让我活了下来。可能到大城市治病让我见过了“大世面”,从读小学时,我心底里就有一个“走出大山”的愿望。

上世纪90年代,农村还没有幼儿园,加之父母忙于农活,常常无法照管我,于是我4岁时就“被迫”上了小学。

初中住校,生活更加艰苦。每周日下午从家里出发,花1块钱坐拖拉机沿着蜿蜒曲折的山路,颠簸近2小时到镇上求学。周六早上,又从镇上坐着拖拉机回家,周而复始。拖拉机也不是每次都有,遇不上的日子就得徒步3-4小时。

学校没有食堂,吃饭都是自己淘好米装到饭盒里,放进学校的大锅炉统一蒸,然后拌着咸菜吃。住宿条件也很差,上下铺的单人床不够用,每个床上还得挤两个孩子,从床上掉下来也是常有的事。

我深知读书是我走出大山最好的机会,所以从来不敢懈怠。2002年,我以全镇第三的成绩考上了县里最好的高中。

但是一入高中,我立马感受到农村与城市在教育上的差距。曾经自诩为“小镇做题家”的我,入学成绩在班上却是倒数,特别是英语,我上初中才接触到26个英文字母,而城市里的同学小学三年级就开始学英语了。这些差距点燃了我的斗志,高一奋起直追,终于跻身班上前十。

好景不长,高二我开始沉迷游戏,周末都泡在网吧,甚至晚上也会从宿舍翻墙出去打游戏。高二结束,我的成绩又回到了班上倒数。班主任将我打游戏的事告知了家长,母亲很生气,但没有打骂我,只是丢给我一把锄头,让我把家里种的一大块地翻一遍。

整个暑假,每天我都是面朝黄土背朝天,再一次感受到了农村生活的不易,这也真正激发了我靠读书跳出农门的决心。

高三一年,我每晚都学到半夜一、两点,做过的卷子堆积起来比我人还高。2005年高考,尽管主科没有达到平时的水平,但依赖理综近乎满分的成绩,我考入了重庆大学。

2⃣️ 大学成为国防生,为国戍边

大学四年其实是我人生中最为后悔的四年,从紧张忙碌的高中进入到轻松休闲的大学,那根紧绷的弦一下就松了下来。

整个大学我都处于一种迷茫的状态,成绩不好不坏,考试靠“临时抱佛脚”,没挂过科,但也没拿过奖学金。

大二那年,为了缓解家中经济压力,我签了协议成为国防生,毕业后可以直接去部队工作。即使有了这个方向,我依然感觉每天浑浑噩噩的,没有干劲。

英语也仍然是我大学“木桶”上的短板,考试只能勉强及格,这也是我大学四年拿不到奖学金的主要原因。

我也尝试了很多办法来提高英语,背单词、刷题、听广播,但都没能坚持下来,仅凭运气低分通过了四、六级。英语成了我大学永远的痛。

大四上学期我开始准备考研,每天早出晚归,那是我大学里为数不多的为了一个清晰的目标去奋斗的时光,仿佛又回到了高考备考的日子。

最后我考取了本校本专业的研究生。国防生可以保留研究生入学资格,先工作两年再回校读硕士,读研期间寒暑假依然需要回单位上班,毕业后也是到原单位工作。

2009年本科毕业后,我被分配到祖国西南边陲的一个单位为国戍边。戍边生活简单而枯燥,所在单位到最近的镇上步行都得两小时,每天除了训练,就是和战友们一起在祖国的边境线上巡逻。

几十年前的战争让边境上遍布地雷,巡逻必须得按着既定线路进行,稍有差池就可能造成重大人员伤亡。

那几年的生活重复、紧张,也井然有序,每年、每月、每天甚至每个小时该做什么,都规定得清清楚楚,这样的日子最能使人戒骄戒躁。

3⃣️ 通过法考,从边疆走出来

偶尔也会问自己,是打算一辈子待在边疆吗?未来可以是什么样的,我一直没想清楚。年轻干部必须干满八年才有资格提转业或者复员,想从边疆单位调走更是难于上青天。

记得是2010年,一次偶然的机会,我听说隔壁连队多年前有师兄通过了司法考试,之后便被上级机关抽调,所以我决定试试法考,为以后可能到来的机会增加筹码。

平时工作比较忙,我只能抽出空余时间来自学,晚上我比其他人晚睡两小时,挑灯夜战听讲座音频。早上我提前一小时起床,背诵巩固前一天所学知识点。笔记写了厚厚两大本,看过的资料摞起来足足有一人高。

我本科学的是信息技术,与法律毫不沾边,一切都要从零学起。我将备考时间按小时细分到每一科,并且记录每一天的有效备考时间。

我还会用思维导图将知识主干拎出来,一边学一边添加枝叶,让自己具备宏观和微观的双重视角。很多人备考都是从刑法、民法这些具体学科入手,而我却是从法理学入手,先弄清法律运行的规律、原则、框架后再开始学具体的学科。

2011年我回重庆大学读研,2012年参加了司法考试。通过近两年的备考,共花费1100多个小时,我以总分411(满分600)通过了司法考试。

其实我在准备司法考试时,并不是特别确定拿到这个证有什么用,摆在柜子里吃了两年灰。2014年研究生毕业,我又回到原连队戍边。

然而机会都是留给有准备的人。第二年,上级机关在我所属单位遴选通过司法考试的人从事法律办案工作,我很幸运地被选上了,于是得以从边疆小镇调动到成都,实现了基层连队到战区级机关的三级跳,成为了我们连队第一个调到大机关工作的人。

办案工作十分艰巨,每一项对我来说都是全新的挑战。好在我们山里娃不怕吃苦不怕累,白天跟着老同事学各种办案技能,晚上回宿舍恶补相关知识,每天主动记录每项工作,提炼其中的有益做法,反思存在的不足。

三个月之后,我已经能够独立开展法律办案工作。之后因为需要照顾家庭,我又主动申请转业回家庭所在城市,来到一家法院从事审判工作,现在是一名一级法官助理。

我大学和研究生读的都是信息技术专业,毕业后却一直没有从事相关工作,有时觉得很可惜。于是去年我报名了国家专利代理师资格考试,决定尝试知识产权法相关的工作。因为许多专利发明会涉及技术层面的知识,这样正好可以把我的“老本行”与工作相贯通。

我用了两周业余时间和考前公休假一周的时间,便顺利通过了考试。虽然目前还没有机会参与这方面的工作,但我一直在为迎接它做准备。

4⃣️ 工作之余提升自己

2016年,我在朋友圈看到一位年近60的老同事每天都在扇贝打卡背单词,深受鼓舞。

想到一直以来英语是我学生时代的遗憾,于是我也开始了自己的扇贝打卡之路,中间基本上未曾中断,目前已经打卡了1627天,并且连续完成了三年的365计划。

我主要用的是扇贝听力和阅读。我比较喜欢的听力素材是托福真题,因为它内容涉及面广泛而且语速适中,我一般会先泛听,弄懂大概意思后,再按90%的挖空比例进行精听复写。旧版的听力我的积分有78000多,改版后也泛听了7000多分钟、精听近2000句。

阅读主要是读每天更新的短文,偶尔也会读原版书,比如与经济学相关的牛津通识读本《大众经济学》《全球经济史》等。这些书对我来说难度偏大,但一点一点地啃下来之后,不仅增加了单词量,也增长了不少知识。目前我已经读了6000余篇短文,18本原版书,拿到了阅读10000篇的徽章。

虽然这期间没有考取任何英语证书,也没有参加与英语相关的项目,但我还是能够实实在在地感受到自己英语水平的提升,比如现在扇贝阅读上的短文,我都可以顺畅地读下来了,要知道刚开始读的时候,一半的时间都在查词。

现在扇贝打卡已经完全融入了生活,我会在上班路上听扇贝听力,利用小碎片时间看英语短文、大碎片时间看原版书,最后在睡前背单词。一年365日,基本天天如此。

2015年以来,我一直从事法律办案工作,虽然工作上比较顺利,但长期伏案、久坐不动让我的身体亮起了红灯,体重也飙升到了150斤,体脂率近25%,动辄感冒。

为了改善身体状况,我从2018年开始健身,每周跟着keep锻炼3-4次,跑步1-2次。我想能在运动这件事上坚持下来,扇贝帮我养成的自律力也功不可没。

这两年多以来,我的运动时间近5万分钟,跑步加健走共3000多公里,体重稳定在130斤,体脂率减到18%左右,身体素质有了很大提高。

5⃣️ 写在最后

就像我所在的扇贝小组“再次出发的30岁”简介里所说,“不知不觉就已经30+了。”回想过往的时光,我时常为大学的蹉跎而懊恼,所以之后的十余年一直在尽力弥补。

虽然取得了一些成绩,终究还是归于平凡,但正如路遥在《平凡的世界》所说:“我们每个人的生活都是一个世界,即使最平凡的人也要为他生活的那个世界而奋斗。”我在我的世界里走过了奋斗的33年,也将一直这样走下去。

我曾经在书里读到过“一万小时定律”,意思是说人们眼中的天才之所以卓越非凡,并非天资过人,而是付出了持续不断的努力。不管你做什么事情,只要坚持一万小时,基本上都可以成为该领域的专家。

但我觉得它并不是指盲目的坚持,除了刻意的、长久的训练,还必须在过程中积极作为,抓住机会促进量变引起质变。这也是我一直奉行的宗旨。

今年我开始准备法律英语考试LEC,通过后打算申请出国留学。希望到了不惑之年,自己能有更大的收获和成长。而无论多少岁,我们都可以拥有再次上路的勇气和信心。


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