什么是量子
“量子”课程第 1 课，共 23 课。免费，有动画和小测验。
放大镜下的世界
球、汽车、你自己：所有大东西都遵守我们熟悉的物理。扔出一个球，你能准确说出一秒后它在哪。但如果一直缩小，缩到原子那么小，规则就变了。一个原子比一根头发的粗细小几十万倍。在那里，粒子的行为会颠覆常识。这个微小世界的规则，就是量子物理。不需要公式：只有图、实验和例子。
能量是一份一份给的
1900 年，德国物理学家马克斯·普朗克想解释烧红的金属为什么发出那种颜色的光。公式一直对不上，直到他做了一个大胆的假设：光释放能量不是连续的，而是一小份一小份的。这最小的一份被叫作“量子”，来自拉丁语 quantum，意思是“多少”。想想坡道和台阶：在坡道上你能停在任何高度，在台阶上只能站在某一级。微观世界就像台阶。
光是一串粒子
1905 年，阿尔伯特·爱因斯坦。谜题是：用光照金属，会有电子飞出来。可红光打不出电子，再亮也不行；很弱的紫外光却一照就行。爱因斯坦的解释是：光是一份一份传播的，这些粒子叫光子，一个光子的能量取决于颜色。红光光子太弱，加多少个都没用。爱因斯坦 1921 年的诺贝尔奖正是因为这个。太阳能板和你手机的摄像头都靠这个效应工作。
电子住在台阶上
1913 年，丹麦人尼尔斯·玻尔。原子里的电子不能随便转：它只有几个允许的能级，就像台阶。电子往下跳一级，就会放出一个光子。跳的高度决定光子的能量，也就决定了颜色。每种化学元素都有自己的台阶。所以烟花里的锶总是烧出红色，钠是黄色，铜是蓝色。这不是颜料，这是量子物理。
为什么我们察觉不到
既然微观世界这么怪，为什么你的咖啡杯表现得很正常？量子效应只有在物体很小、很冷、而且被隔离得很好时才看得见。一杯咖啡里有万亿个万亿个原子，它们一直在被空气和光撞来撞去。这些碰撞抹掉了量子的怪异，只剩下我们熟悉的世界。物理学家把这叫作“退相干”。测量那一课会细讲，现在先记住：又大又暖的东西会把量子藏起来。
2025 诺贝尔奖：握在手里的量子
很长时间里，人们以为量子把戏只属于单个原子。1984–1985 年，约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马蒂尼斯证明了相反的事：一个能拿在手里的电路，也会在能量台阶之间跳，还能穿过按普通物理根本过不去的势垒，这叫“隧穿”。2025 年，他们因此获得诺贝尔物理学奖。谷歌和 IBM 的量子芯片就是基于这个想法。
自测一下
- 为什么紫外光打出了电子，很亮的红光却没有？
正确答案: 单个光子的能量取决于颜色. 一个光子打出一个电子。紫外光子的能量够，红光光子不够。这正是爱因斯坦 1905 年给出的解释。 - 为什么烟花里的锶总是发红光？
正确答案: 它的电子在自己特有的台阶间跳. 锶有自己的能级。同样高度的往下跳，总是放出同样能量、也就是同样颜色的光子。化学家就是这样凭光认出元素的。 - 哪条事实最能回答你的朋友？
正确答案: 2025 诺奖：手掌大的电路也有量子行为. 克拉克、德沃雷和马蒂尼斯证明，一个大电路也会在能级之间跳，还会像单个粒子一样隧穿。超导量子比特就是从这里发展出来的。
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