【薛餓】親愛的，我把量子力學放大了！

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本期貓糧參考自 「知乎大學」 之 《淼懂物理學》

文中引用部分為課程原文

《親愛的，我把孩子縮小了》都有誰看過請舉個手！就是男主發明了一把放大縮小槍，不小心把孩子們縮小了，然後這幾個孩子在水管、草叢等地方和昆蟲大戰三百回合的那個電影！

嗯……跑題了……

這些年我們經常聽到「量子」這個辭彙，比如量子力學、量子通信、量子催眠……

當然這家量子催眠肯定是騙人的。畢竟量子效應只有在微觀世界才比較明顯，放到宏觀世界人類就看不到了，這也正是量子力學的神奇所在。

所以，為了能夠在宏觀世界，也就是現實生活中體驗到量子現象，我們的主角也發明了一把槍。這把槍可以放大量子力學中的某些效應，並應用到高爾夫球、汽車等實實在在的物體上（雖然這把槍是我們瞎編的，但是相關理論是確實存在的）。

不幸的是，這把槍被熊孩子搶跑了……

「量子」與中型猛獸

熊孩子跑出家門後，首先朝著高爾夫球開了一槍。然後……這球就打不動了。就算加大力氣把它打了出去，飛行距離也都是特定的幾個數值。

這個場景的原型，就是愛因斯坦的光電效應。

在解釋光電效應之前，我們先來解決一個根本問題——「量子」到底是什麼意思？

我們知道，在分數裡邊，分母不能是0。主要是因為分母越小，整個分數就越大。比如1/0.5=2，1/0.2=5。當分母變成0的時候，整個分數變成了無窮大，這就給計算帶來了很多邏輯上的衝突。

類似的道理，物理學家普朗克發現，如果光的能量沒有下限，那麼在計算的時候就會出現無窮大的情況。所以他就推測，光的能量應該有個最小值，普朗克將這個最小值命名為「量子（quantus）」。

然後他進一步猜測，光的能量只能是「量子」的整數倍。就好比我們說籠子里有2「只」狗，這個動物園有40「種」猛獸。「量子」成為了衡量光的能量的一個單位。而且，就像不同事物有「一個」、「一種」、「一隻」等不同的量詞，不同顏色的光也有大小不一的「量子」。

借用國際知名物理學家李淼老師的描述就是：

雖然光從表面上看是不可分割的，但其實它具有的能量是可以分割的，並且能分割到最小的單位——量子。我們所說的「量子」，就是指這種物理量本身不連續、總是一份一份分布的特性。

輕於氣球，重於鉛球的量子

現在我們再來看高爾夫球的理論原型，光電效應。

光電效應指的是：用光照射金屬就可以從其內部打出電子。這並不奇怪。光可以把自身的能量傳遞給電子，使它獲得足夠的能量從而逃脫金屬原子對它的束縛。但奇怪的是，這種現象依賴於光的頻率。在一定頻率之上的光，只要一照就可以從金屬中打出電子；而在此頻率之下的光，無論照多長時間也無法把電子打出來。

這就像視頻中的高爾夫球，非常反直覺。講道理，我打球的時候使勁越小，球飛的應該就越近；使勁越大，球飛的應該就越遠。現在如果力氣不夠，球就紋絲不動。必須先蓄力，然後奮力一擊，才能讓球飛出去，簡直匪夷所思。

再打個比方：

你要把一個大水缸里裝滿水。按理說，你用大臉盆一盆一盆地往裡倒水，可以把水缸裝滿；你用小水杯一杯一杯地往裡倒水，也可以把水缸裝滿。但現在光電效應實驗告訴我們，用大臉盆可以把水缸裝滿，但是用小水杯就不能把水缸裝滿了。

是不是非常奇怪？

為了解釋這個效應，愛因斯坦進一步猜測，「量子」和光子本質上就是一回事兒。

也就是說，「量子」不僅具有看不見摸不著的能量，它還具有實體。這樣一來，「量子」這個概念就和原子、電子等概念很像了， 一下子就賦予了「量子」一種很具象化的感覺。

「量子（光子）」打到電子上，有點兒像用球打人。低能量的「量子」就是氣球，高能量的「量子」就是鉛球。你拿氣球打人當然打不動，就算扔1萬個氣球過去也是白搭。但你換成鉛球試試？

不連續的火焰

現在我們知道了為什麼高爾夫球一開始飛不出去，但仍不知道為什麼飛出去之後只能落到幾個固定的地點上？

當我們在燃燒煤炭的時候，我們可以測量這塊煤炭發出的光的頻率以及光的顏色。或者，當我們把一塊鐵熔化的時候，鐵的溫度就會變得非常高，同時也會發出光。

這個現象很符合我們的日常現象，燃燒就會發光嘛。

所以科學家就採取了一些手段，提高了氫原子的能量，讓它也「燃燒起來」。不出所料，氫原子也發光了。可讓人費解的是，氫原子發出的光是不連續的。

回想一下，我們點蠟燭的時候，火焰的顏色是不統一的。外邊的偏紅，裡邊的偏黃，中間部分則是由黃逐漸過渡到紅色的。現在科學家的發現，就像是這個中間的過渡色憑空消失了，只有內層的黃色和外層的紅色。

這是什麼鬼？

後來科學家們發現，之所以出現這種詭異的光，是因為氫原子中的電子的能量也是不連續的。比如說電子只能有10、20、30……等能量值，而絕不會有11、23等數字的出現。這就導致了氫原子發出的光也是不連續的，只有特定的一些頻率、能量、顏色（當然肉眼是分不出來的）。

高爾夫球的落點，也正對應著氫原子中的電子的這些能量值，它們都是一份一份的，跟前面提到的「量子」有異曲同工之妙。

鑿壁偷波

後兩個場景就比較好懂了。

德布羅意波指的是，所有物體，包括石頭、樹枝、人體等，都具有一定的波動性。那什麼是波動性呢？

波動性有很多特徵，最有代表性的就是我們熟悉的衍射現象。

比如我們小時候學到的鑿壁偷光，就很可能是衍射現象。因為牆上的洞就那麼一點兒，按理說偷過來的光斑大小應該和牆上的洞大小一致，根本不夠用。但實際上匡衡還是成功的看到了書，因為照在書上的光實際上要比牆上的洞大多了。這就是衍射的一個重要特點：波可以一定程度上繞過障礙物進行傳播。

當然，鑿壁偷光的故事用到的原理也有可能是漫反射。我們不知道他摳的洞到底有多大，所以不能直接下結論。

回到德布羅意波上，它說所有物體都有波動性。那麼人體能不能像光一樣，繞過障礙物呢？

人體實在太大了，波動性非常弱，不具有明顯的衍射效應，不可能繞過磚縫。

不過視頻中的熊孩子利用我們虛構的量子槍，成功提高了自己的波長，從而讓自己「繞過」身後的牆壁，從縫隙中「波兒」了過去。

最後我們還提到了海森堡不確定性原理，這個原理我們在往期節目中提到過，那期的物理顧問剛好也是李淼老師( ??? .? ??? )? 所以這裡就不再贅述了。

受限於我們自身的姿勢水平，可能會有很多講述不盡人意。

李淼老師是國際知名物理學家，擔任中山大學天文與空間科學研究院院長，曾為馬雲、徐小平單獨開課。我們之前的《最完美的毀屍滅跡》也得到了很多來自李淼老師的幫助。