世界上根本沒有物質這個東西，物質是由快速振動的量子組成?

在物理學史上，有很多的科學家和他們的發現都使得我們對世界的認知產生了深刻的變革。而普朗克，這位被譽為“量子理論之父”的科學家，無疑是其中的翹楚。他的一句“我對原子的研究最后的結論是——世界上根本沒有物質這個東西，物質是由快速振動的量子組成”，似乎顛覆了我們數千年來對物質的固有認知。

(資料圖)

想象一下，當你拿起一本書、一杯水或任何你認為是“實物”的物體，你實際上正在與一個由快速振動的量子組成的“幻影”互動。這聽起來是不是很像科幻小說的情節？但這并不是科幻，而是現代物理學的基石。

這個觀點不僅改變了科學家們對物質的看法，也影響了我們的日常生活和技術的進步。從基本的科研到高端的技術領域，從深入的宇宙探索到細微的生物研究，這種新的物質觀念都發揮著不可或缺的作用。

那么，普朗克是如何得出這一結論的呢？為什么他的這一觀點如此顛覆性和重要？為了更好地理解這一點，我們需要回溯到物質概念的起源，并從中梳理出那些改變我們對物質認知的關鍵節點。

在古代，人們對于物質的理解是直觀和具象的。古希臘的哲學家們相信所有的物質都是由“元素”構成的，包括土、水、火和風。這四個元素在各種組合中形成了我們所看到和感知到的世界。

隨著科學的發展，到了17-19世紀，化學和物理學逐漸嶄露頭角。研究者們開始意識到，所有的物質都是由原子組成的，并且這些原子由更小的粒子——電子、質子和中子組成。

進入20世紀初，隨著科技和實驗設備的進步，人類對原子內部的世界有了更深入的了解。這一時期，物理學家們開始發現了一系列令人困惑的現象，這些現象不能用經典物理學來解釋。例如，電子的行為在某些情境下更像波而不是粒子。

這些令人困惑的現象促使科學家們尋找新的理論來解釋。1925年，德國物理學家海森堡提出了量子力學的初步形式。此后，這個理論逐漸被完善，形成了今天我們所知的量子物理學。而普朗克，正是這一革命性理論的開創者之一。

量子物理學提出，物質的行為在微觀尺度上是不確定的，并且與我們在宏觀世界中的直觀經驗有所不同。這就為普朗克的那句名言奠定了基礎：“世界上根本沒有物質這個東西，物質是由快速振動的量子組成”。

當我們提及“實物”或“物質”，大多數人會想象到它們是穩定、連續和確定的。然而，量子理論挑戰了這種日常直覺，并為我們展現了一個完全不同的微觀世界。

量子力學認為，微觀粒子如電子、質子和中子并不總是處于一個明確的狀態。相反，它們處于一個“可能性”的疊加狀態，直到我們對其進行觀測。這就是著名的“觀測者效應”，意味著粒子的狀態會受到我們觀測的影響。

再來看一個關于電子的經典實驗——雙縫實驗。當電子經過兩個縫隙時，它們會產生干涉圖案，就好像它們是波而不是粒子。但當我們試圖觀測哪一個縫隙電子穿過時，這種干涉圖案就消失了，電子又表現得像粒子。這表明電子既像粒子又像波，取決于我們如何觀測它。

此外，量子力學還引入了“量子不確定性”原理，由海森堡首先提出。它告訴我們，在任何給定時間，我們不能同時知道一個粒子的位置和速度。這與我們日常經驗完全不同，我們通常認為一個物體的位置和速度都可以被準確地確定。

量子理論的這些奇特特性，雖然與我們的直觀經驗不符，但已被大量實驗驗證。它不僅改變了我們對物質的看法，還為我們提供了新的工具和技術，如激光、超導和即將到來的量子計算機。

我們生活在一個看似清晰、有序的宏觀世界中，但深入到原子和亞原子級別，這個宇宙變得模糊和不可預測。這主要是由于兩個核心的量子原理：量子疊加和不確定性原則。

量子疊加 是一種描述粒子存在于多種狀態的同時性的概念。簡單來說，一個粒子可以同時處于兩個不同的位置，或者既是粒子又是波，直到被觀測。這聽起來可能難以置信，但實際上，這是量子物理學中的核心原理。實際的應用，如量子計算機，正是利用了這種疊加性來實現超高速的并行計算。

不確定性原則，又稱海森堡不確定性原則，告訴我們不能同時準確地知道一個粒子的位置和動量（或速度）。這意味著，當我們試圖更準確地測量一個粒子的位置時，我們對其動量的知識就會變得更加模糊，反之亦然。

這些量子原理與我們日常生活的直觀經驗截然不同，但卻是自然界最基礎的規律。在這個量子尺度上，世界是由概率和波函數描述的，而不是確定性的。

這種“模糊性”可能聽起來很奇怪，但它為科學家和工程師提供了巨大的機會。例如，量子隱形傳態就是基于量子疊加和糾纏，能夠在沒有真正傳輸物質或能量的情況下，傳輸信息。

但為什么在宏觀世界中我們看不到這些“模糊”的行為呢？這是因為量子效應在宏觀尺度上被平均化了。所以，盡管我們的宇宙在微觀層面上可能看起來模糊和不確定，但在宏觀尺度上，這一切又變得清晰和有序。

當我們進一步深入探索量子物理學的神奇之處時，一個非常引人入勝的現象就是量子糾纏。它被愛因斯坦描述為“鬼魅似的遠距作用”，盡管這一描述在物理學界引起了不小的爭議，但糾纏確實是一個令人震驚的現象。

量子糾纏是指兩個或多個粒子在其量子狀態上形成了某種不可分割的聯系，即使這些粒子被分隔得很遠，它們的狀態仍然是相互關聯的。這意味著，當你測量其中一個糾纏粒子的狀態時，另一個粒子的狀態也會瞬間確定下來，無論它們之間有多遠的距離。

實驗數據支持了這種現象，但它違反了我們的日常直觀感受和經典物理學的基本原理。在宏觀世界中，信息不能瞬間傳輸，它總是受到光速的限制。但在量子糾纏中，這種信息的“瞬間傳輸”似乎并不違反光速的限制，因為它不涉及真實的能量或信息的傳遞。

量子糾纏已經在量子通信、量子計算和量子密碼學中找到了實際應用。例如，利用量子糾纏，科學家們已經成功地進行了所謂的“量子隱形傳態”，這是一種在不真正傳遞粒子的情況下，傳輸其量子狀態的方法。

那么，量子糾纏如何形成呢？簡單來說，當兩個粒子在某種方式下互相作用，例如通過碰撞，它們的量子狀態可能會相互關聯起來，形成糾纏。一旦糾纏，這種聯系就不會輕易斷裂，除非外部干預。

量子糾纏展示了量子世界的非局域性，意味著在某種意義上，物質和空間在量子層面上是相互關聯的，而不是獨立的。這再次顛覆了我們對宇宙和物質的傳統認知。

當我們深入探討量子物理學時，必然會遇到一個名為“量子場論”的概念。這一理論提供了一個更全面、更深入的視角，幫助我們理解物質的真正本質。

在古典物理中，我們經常將物質看作是由不可分割的基本粒子構成的。但在量子場論中，這些粒子實際上是場的局部振動或擾動。你可以將它想象成一個彈性的平面網，當你在某個地方敲擊這個網，它會產生波動。在量子場論中，我們的宇宙是由多個這樣的“場”組成的，而我們所稱的粒子，如電子、光子或夸克，實際上只是這些場的不同模式的振動或擾動。

每一個場都有與之關聯的粒子。例如，電磁場與光子關聯，電子場與電子關聯。當場被“激發”或“擾動”時，我們看到的是對應的粒子。這種理論解釋了為什么粒子在某些實驗中表現得像波動，而在其他實驗中表現得像實體。

量子場論不僅為我們揭示了物質的量子性質，還為強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用提供了統一的框架。這些相互作用是四種基本力中的三種，其中第四種是引力。盡管至今我們還沒有完全將引力納入量子框架，但科學家們正在努力解決這一難題。

普朗克的觀點，即“物質是由快速振動的量子組成”的理念，在量子場論中得到了進一步的印證。物質并非固定不變的實體，而是一個動態、波動的過程。

然而，這并不意味著我們的現實世界是一個虛幻的幻覺。相反，它提醒我們，即使在我們日常生活中認為是最基礎、最固定的事物，也有其深層次的、令人驚奇的復雜性和動態性。

當我們在宏觀尺度觀察物質，例如一個桌子、一個蘋果或一塊石頭，它們都顯得堅固、連續，甚至是靜態的。但當我們逐漸放大鏡頭，深入至原子、分子，再到更為微小的基本粒子，我們將會發現一個完全不同的景象。

原子世界的舞蹈

首先，我們需要明確一點：原子是空的。一個原子的直徑大約是10^-10米，而其核心（由質子和中子組成）的直徑只有大約10^-15米。這意味著原子的99.9999999%是空的。那些圍繞原子核旋轉的電子，實際上是一種存在于電子云中的概率波動。這就是量子物理為我們揭示的原子內部的真實情況。

量子的振動

如上所述，量子場論告訴我們，物質的基本粒子實際上是場的振動。這意味著，當我們說一個物體是由“快速振動的量子”組成時，我們實際上是在描述這些基本粒子如何在相互作用的場中振動和波動。

波粒二象性

電子、光子等基本粒子不僅展現出粒子特性，也展現出波特性。這就是所謂的波粒二象性。例如，當光通過雙縫時，它會形成干涉條紋，這是光的波動性的體現。但同時，當我們逐一發送光子，它們又表現得像粒子。

這種波粒二象性是量子物理最基本的特性之一，也是普朗克觀點的關鍵支撐。

綜上所述

當我們說“物質是由快速振動的量子組成”，我們實際上是在描述一個更為基礎的物質形態。在這個層次上，物質不再是堅固的、分離的實體，而是一個連續的、動態的過程，由場的振動和粒子的相互作用組成。

隨著科學的進步，普朗克的那些“看似瘋狂”的觀點逐漸得到了實際應用，進而塑造了我們當今的高科技世界。其中，量子計算與超導技術都是量子物理理論的具體實踐。

量子計算：另類計算的革命

傳統計算機使用二進制位表示信息，每一位要么是0，要么是1。然而，量子計算機使用的是量子位或稱為“qubit”。由于量子疊加原理，一個qubit可以同時處于0和1的狀態，使得量子計算機在理論上能夠處理的信息比傳統計算機多得多。

這意味著量子計算機可以同時進行大量計算，解決傳統計算機需要數年或數十年才能解決的問題。例如，大整數的因子分解、優化問題和某些類型的模擬都在量子計算的能力范圍內。

超導：零電阻的奇跡

當某些材料被冷卻到接近絕對零度時，它們會變成超導體，電流可以在其中流動而不會遇到任何電阻。這種現象的發現是在1911年，但直到量子物理的發展，我們才開始真正理解其背后的機制。

超導的關鍵是電子的某種特殊配對，稱為庫珀對。這些電子配對允許它們在超導材料中無阻地流動。這種現象有著巨大的應用潛力，從醫療成像的磁共振設備到無損能量傳輸都有所體現。

量子物理的實用性

這兩個例子展示了量子物理不僅僅是抽象的概念或數學模型。它真實地、深刻地影響著我們的日常生活和未來的技術前景。普朗克的那些看似“離奇”的觀點，實際上為我們打開了一個全新的技術大門，這扇門仍在向我們揭示未知的科技奇跡。

回想一下，自人類文明的開始，我們一直試圖理解自己身邊的這個世界。從古代哲學家對原子的討論，到中世紀煉金術士對元素的追求，再到今天的物理學家對量子世界的探索，人類對物質的理解已經經歷了長達數千年的演化。

普朗克的顛覆性觀點，即“世界上根本沒有物質這個東西，物質是由快速振動的量子組成”，其實是對這一探索之旅的高度概括。這句話背后的含義不僅僅是物質的本質，更是對整個宇宙如何運作的描述。

量子物理教給我們的是，我們所看到、觸摸到的每一樣東西，都是一個龐大、細微、脆弱的量子交互系統的產物。那些我們以為是實實在在的物體，實際上在微觀層面都是在不斷地“跳躍”和“振動”。

這種觀點或許會讓人們覺得不安，感覺身邊的一切都變得模糊和不確定。但與此同時，這也為我們提供了一種全新的視角，去看待身邊的世界，去感受生活中的每一個奇跡。

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