提起微观世界，人们通常想到的是极致的“微小”——比如，一个原子的大小是“埃”级别的，1埃大约是10的负10次方米。如果把一颗苹果放大到地球大小，那么苹果中的一个原子就会变得如同苹果本身大小，微观的细微让人叹为观止。然而，这种“微小”只是表面特征，微观世界真正的魔力远超想象。20世纪初的科学家们发现，微观世界并不像我们想象的“弹子球”那样简单，而是有一种更深刻的特性：量子化，这个概念彻底颠覆了物理学的世界观。

黑体辐射与量子假设：普朗克的伟大发现

19世纪末，科学家们热衷于研究一种神秘的物理现象：黑体辐射。黑体是一种理想物体，可以完全吸收所有波长的光线而不反射，因此看起来是彻底的“黑色”。但神奇的是，加热黑体时，它会发出光，而且不同频率的光强不同，形成一个连续的光谱，其中某个频率的光强达到峰值。这种现象与温度密切相关，温度越高，峰值频率越高——例如在铁水冶炼时，温度升高会让铁水颜色变深，我们今天甚至可以用颜色来估算温度。

科学家们迫切想用理论推导出这种辐射谱，但遇到了巨大的障碍。经典物理的预测在低频区与实验吻合，但在高频区却完全失效——根据经典理论，频率越高，辐射强度应无限增长，完全没有实验中观察到的峰值频率。这一矛盾被称为“紫外灾难”，成为了经典物理学的危机。

这时，德国物理学家普朗克提出了一个大胆的假设：黑体辐射的能量不是连续的，而是由一个个最小单位（即“量子”）构成的。也就是说，黑体的能量只能以一定的“份”发出，不能发出1.5份这样的“半份”能量。这一看似荒谬的假设与实验结果完全一致。尽管普朗克本人起初也难以接受这一设想，他尝试过撤回，但最终不得不承认微观世界就是这样“量子化”的。这一发现不仅解决了黑体辐射问题，还开创了量子力学的理论，为普朗克赢得了1918年诺贝尔物理学奖。

更多量子化现象：电子能量、磁矩和分立的微观世界

随着量子力学的发展，科学家们发现微观世界中的量子化现象远不止黑体辐射。例如，氢原子中的电子只能处于一些特定的能量状态中，即其能量是分立的，无法取任意值。更为奇特的是，电子的磁矩也具有量子性——它只能取上下两个方向，不能取中间值。

实际上，微观世界的物理量在大多数情况下都是“跳跃”变化的，而不是经典物理中的连续变化。普朗克之后，包括爱因斯坦、德布罗意、海森堡和薛定谔在内的众多科学家都对量子力学作出了重要贡献，并在20世纪30年代搭建了量子力学的大厦。

经典力学VS量子力学?

可能有人会觉得量子力学只适用于微观，而宏观世界则由经典力学主导。实际上，这种理解并不完全准确。经典力学并非量子力学的对立面，而是它的一个特殊情况。当系统足够大或量子效应微乎其微时，量子系统表现出的离散能级会近似为连续状态，从而与经典力学一致。例如，1和2的差异在小尺度上显著，但一亿和一亿加一之间的差别几乎无法察觉。同样地，黑体辐射虽然本质上是量子化的，但在能量较高时看起来几乎是连续的，这时用经典理论描述就行得通。

因此，经典力学其实是量子力学在宏观条件下的近似理论，二者并非冲突。迄今为止，每次实验都验证了量子力学的预测，经典力学则在微观层面屡次失效。量子力学并不是一种“小众理论”，而是更为普适的自然规律，它才是我们世界的“本质”，而经典力学是它在特定条件下的近似表现。如果理解了这些，您便窥见了微观世界的真相。

作者：《你也可以理解量子信息》风云际会

审核：罗会仟 中科院物理所研究员

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来源: 星空计划

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