《科学世界》是中国科学院科学出版社主办的科普杂志，在学术界和社会上声誉卓著。他们邀请我开了一个专栏，从2025年1月开始。下面，我就来介绍一下我在《科学世界》2025年2月刊的文章《量子不是粒子，更不是不可分割的最小粒子》（袁岚峰：量子不是粒子 | 科学世界），并推荐大家关注《科学世界》。
中国科学技术大学研发的量子计算机“九章”
近年来，“量子”（quantum）成了最热的科技术语之一。许多人都听说了，中国在量子领域取得了很多世界领先的成果。例如2016年，中国发射世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”。2017年，中国开通世界第一条量子保密通信骨干网“京沪干线”。2020年，中国科学技术大学潘建伟院士团队发布“九章”光量子计算机，后来又在2021年和2023年升级为“九章二号”和“九章三号”。我国的官方文件中也多次提到量子，如2024年政府工作报告提到要“制定未来产业发展规划，开辟量子技术、生命科学等新赛道”。
其实不只是中国，美国政府对量子的重视程度更是有过之而无不及。例如美国政府有个网站https://www.quantum.gov/，内容就是美国的国家量子倡议（national quantum initiative）以及此后的各种对量子信息科学（quantum information science）的支持活动。这个倡议还表现出了难得的美国两党共同意志，因为它是2018年由特朗普总统签署的，2021年美国政府更换后拜登总统继续支持，——现在特朗普总统又回来了！
然而在量子大热的同时，大多数人对它的理解是一团模糊。许多人听说过薛定谔的猫、多世界理论、量子纠缠、爱因斯坦与玻尔的争论（“上帝不掷骰子”）等等，感觉特别的玄而又玄。甚至出现了这样的俗语：“遇事不决，量子力学。解释不通，穿越时空。”
图片源自网络
这些还算好的，更糟糕的是有许多所谓的量子科普其实是伪科学，它们在胡说八道的同时抓住了流量密码，就是营造神秘感。例如经常有人神神叨叨地说，量子力学让我们对世界的认识崩塌了。甚至还有人说，量子力学说明世界上存在鬼魂。可悲的是，越是这样的作品收获的关注越多。
曾经有一次新华社请我去讲课，给新华社下属各个单位的科普负责人讲讲如何做科普。我讲完之后有一位听众提问，他问：我们是不是应该向网上那些量子科普学习，他们把量子讲得很有神秘主义的风格，十分吸引眼球？我不得不回答他：这些不是我们学习的对象，而是斗争的对象！
当然，我也理解量子是个相当不容易科普的领域，因为它的概念都比较抽象，跟日常生活离得很远。最基本的，看到量子这个词，你甚至都没法猜出这个领域是干什么的。
相比之下，其他许多领域就好理解得多，你即使不明白它的原理，但很容易明白它的效果。例如新能源，即使你不知道光伏、风电等等的原理，你单从新能源这个名字就能知道它是……新的能源。又如航空航天，你完全不需要知道伯努利原理、齐奥尔科夫斯基公式，就能明白这个领域干的事情是……航空航天。但“量子”是干什么的？？？这就完全没法望文生义了。这就是量子领域一个基本的特点。
2016年9月，“墨子号”量子科学实验卫星在中国科学院新疆天文台南山观测站过境。本图为多张照片合成，绿色为卫星信标光，红色为地面望远镜与卫星之间的通信光。
实际上，对“量子”这个词最容易产生的想法是：我听说过电子（electron）、质子（proton）、中子（neutron）等粒子，那么量子也是一种粒子喽？然后很多人立刻就会来问我：它跟电子、质子、中子相比是大是小？
每当有人这么来问我，我都会立刻告诉他们，这种想法是完全错误的，量子并不是一种粒子。如果你理解这一点，你的知识水平就超过了90%的人。
那么量子究竟是什么呢？对它的正确理解可以分为两层：一，“量子化”（quantized）指的是不连续（discontinuous）的变化，即离散（discrete）变化；二，有个物理学理论叫做量子力学（quantum mechanics），量子科技指的是以量子力学为基础的科技。下面我们来解释一下。
首先，“量子化”这个词其实比“量子”容易理解。如果某个东西只能不连续地变化，也就是说离散地、跳跃地、台阶式地变化，我们就说它是量子化的。如果一个东西是量子化的，我们就把它的最小单元称为量子。所以对量子的准确定义是：离散变化的最小单元。
仔细来想想这话是什么意思。有什么东西只能不连续地变化？这样的例子其实有很多。例如前边我们已经提到了“台阶式的”，上台阶就是个明显的例子。上台阶的时候，你只能上一个台阶、两个台阶、三个台阶，而不可能上半个台阶。这就是量子化，上台阶时一个台阶就是一个量子。
又如统计人数，一个房间里有多少人？可能有一个人、两个人、三个人，但不可能出现半个人。这也是量子化，统计人数时一个人就是一个量子。
又如电影院的座位，你可能坐在5号座或6号座，但不可能坐在5.5号座，——因为不存在这个座位。这也是量子化，这时一个座位就是一个量子。
有人可能会问了，哈利·波特去霍格维茨魔法学校为什么走的是“九又四分之三月台”？——这正说明它是虚构作品嘛！
电影中的“九又四分之三站台”
以上举的都是宏观世界的例子，而在微观世界，量子化就更加常见。实际上，量子化正是微观世界的一大本质。
例如，氢原子中电子的能量是量子化的，它只能取某些分立的值，不可能取到这些值的中间数值，这些分立的能量值叫做能级（energy level）。具体而言，氢原子中电子的能级是-13.6电子伏特（electron volt，简称eV）除以n的平方，n = 1, 2, 3, 4等等，电子伏特是一个能量单位。这些能级并不是等间距的，但确实是量子化的。
由此就决定了，氢原子发出的光的能量只能取某些特定的值，因为它必然等于两个能级的能量差。这就是原子光谱（atomic spectrum）的来源，我们就是通过这个现象识别远处的恒星中有哪些元素的。
原子光谱（图片源自网络）
又如，光是量子化的。一束光其实是由很多个光子（photon）组成的，最少也要有一个光子，否则就没有光了。有一个重要的效应叫做光电效应（photoelectric effect），是指一个光子打在金属上就可以把金属中的一个电子打出去，把光信号转化成电信号。大家用手机拍照时，CMOS图像传感器就是以光电效应为基础的。
其实人眼对光子的灵敏度非常高，屈指可数的几个光子人眼就可以识别出来。一个经典的例子，就是原苏联物理学家帕维尔·切伦科夫（Pavel Alekseyevich Cherenkov，1904 - 1990）如何发现切伦科夫辐射（Cherenkov radiation），即粒子速度超过介质中的光速时打出来的一条发光的“尾巴”。那是在1934年，当时测量非常微弱的辐射唯一有效的工具就是人的眼睛。为了提高眼睛的敏感度，切伦科夫在每次实验之前都要在完全漆黑的环境中呆上一个小时或者更久。由于这项发现，他获得了1958年诺贝尔物理学奖。
又如，电子的磁矩是量子化的。把一束电子通过一个在上下方向不均匀的磁场，会发现电子束分成向上和向下的两道。这是一个非常著名的实验，叫做斯特恩-盖拉赫实验（Stern-Gerlach experiment），它说明电子在上下方向的磁矩只有正负两个分立的值。
光电效应示意图（图片源自网络）
量子化是微观世界的本质现象，这是人类历史上最伟大的发现之一。二十世纪初，马克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858 - 1947）等科学家以此为基础建立了一套理论，叫做量子力学。现在，量子力学被称为物理学的两大支柱之一，另一个支柱是相对论（relativistic theory）。
现在，你是不是已经完全明白了“量子”的定义？
但理解这个概念的困难既在于它“是什么”，也在于它“不是什么”。有好几种关于量子的误解，下面我们就来辨析常见的两种。
一种常见的误解是：明白了，量子就是一种单位，好比米是一种长度单位、秒是一种时间单位。这些人可能是记住了量子可以用来计数这一点，但忽视了另一个基本点：谈论量子的前提，是离散变化。
并不是所有的变化都是离散的。现实世界中也有大量的连续变化的例子，这时就没有量子。例如我们不是在上台阶，而是在平地上走路，那么走出任何距离都是可能的，可以走1米，可以走1.2米，也可以走1.23米，如此等等，怎么都行。这时仍然有长度单位，但就不存在量子了。再想想看，任何物理量都需要有个单位，这是个基础得不能再基础的常识，量子怎么可能是这么简单的现象呢？
另一种常见的误解是：明白了，量子就是不可分割的基本粒子。这些人可能是记住了不连续变化这一点，但错误地把它跟物质是否可分混为了一谈。
有一次，我在一个物理期刊的会议上做了一场介绍量子信息的报告，然后有人提问。他说听到过有人说：光子是量子，质子不是量子。我问他为什么这样说，是因为质子是由三个夸克（quark）组成的吗？他说是的。
这令我想起，在我文章的评论区也经常见到类似的观点，即把量子跟物质是否无限可分联系起来。在他们看来，只有不可再分的粒子才叫做量子。所谓“光子是量子，质子不是量子”，就是这种观点。还有人从哲学上认为，物质是无限可分的，因此不存在量子。
实际上，这是一种概念混淆的错误。量子跟物质是否可分是两回事，跟物质是否无限可分更完全是两回事。假如我们将来发现夸克又可以分成别的什么粒子，难道那时又要说夸克不是量子，那种粒子才是量子吗？这都完全是乱套的。
从根本上辨析一下，物质是否可分说的是一个东西能不能用某种手段分割成更小的组成单元，它并不关心在分割的过程中发生了多大的变化。而量子化说的是某种事物在当前我们关心的范围内是离散变化的，并不是说在这个范围外它也一定如此。
例如前面我们说，统计人数时，一个人就是一个量子，但这话丝毫不意味着人不能分解。人能不能分解？当然可以。学过生物学的人都知道，人是由器官组成的，器官是由组织组成的，组织是由细胞组成的，细胞下面又有细胞核、细胞膜、细胞质等等。我们要强调的只是，在统计人数时，一个人就是一个基本单元，我们关心的是有多少个人而不是有多少个细胞。大家明白这意思了吗？
又如上台阶的例子，假如有人说，我可以把台阶砸掉，让它变成平地，或者在台阶上加上材料，让它变成一个斜面，那么我就可以想走多远走多远了，不再是离散变化了，请问你觉得，这有没有否定上台阶是量子化的？当然没有。实际上，你会认为，这个人纯属抬杠，因为他改变了问题的范围。
这些例子说明，量子不一定是很小的。它完全可以是个宏观事物，真正重要的只是这个事物是否离散变化。
这些例子还说明，我们从来不会泛泛而谈某个东西是量子或不是量子，我们只会说某个东西是某个事物的量子。例如光子是光的量子，因为一束光至少要有一个光子；电子是阴极射线的量子，因为一束阴极射线至少要有一个电子。
再举一个例子。我们可以说，铁原子是铁的量子，因为一块铁至少要有一个铁原子。这句话跟铁原子是否可分毫无关系。实际上我们当然知道，铁原子可以分为铁原子核与电子，铁原子核又可以分为质子和中子，质子和中子又是由夸克组成的，但这些丝毫不影响“铁原子是铁的量子”。初中就学过，铁原子是保持铁的化学性质的最小单元。你当然可以把铁原子分成更小的粒子，但那些粒子就不是铁了。
再来解释一下质子和夸克的关系。实际上我们早已有一个术语来表达，就是说质子是一个“复合粒子”（composite particle）。类似的，铁原子也是复合粒子。反之，电子和光子到目前为止仍然没有发现有内部结构，所以我们称它们为“基本粒子”（elementary particle）。一个粒子是复合的还是基本的，当然是一个重要的问题，但这跟它是不是量子完全是两个范畴的问题。
还经常有人认为，物质是无限可分的，所谓基本粒子都可以再分，所以它们都不基本。其实这只是个哲学信念，对实验毫无意义。因为真正重要的是，这样的信念能得出什么可观测的效应。比如你说电子是可分的，好啊，请你设计一个实验表现出电子的结构。如果你设计不出来，那你这话有什么意义？
实际上，物理学家们已经做了很多年的实验，来探测电子的结构，例如测量它的半径与电荷分布。但到目前为止，一切实验都没有测出电子有非零的半径下限，也就是说没有发现电子不是点粒子的任何迹象。一个有趣的故事是，丁肇中在学术界成名的贡献，就是之前有人宣称发现电子有半径，他做了更精细的实验，否定了这个结论。用当时的话说，丁肇中拯救了量子电动力学（quantum electrodynamics，简称QED）。
因此，我们认为，在现有的实验精度内，电子就是一个点粒子，没有内部结构。这句话有非常大的信息量，而不是像那些高谈“物质无限可分”的口头哲学家一样，除了玄想之外什么信息量都没有。
最后，我们来简略地介绍一下量子力学、相对论与传统理论的关系。这个传统理论，就是中学学的牛顿力学（Newtonian mechanics）。
它们之间的关系是什么呢？其实牛顿力学是这两个基础理论的一种近似理论，它只适用于宏观物体的低速运动。而当描述微观世界时，一定要用量子力学，如果用牛顿力学就必然是错误的。同样当描述接近光速的运动时，一定要用相对论，如果用牛顿力学就必然是错误的。
不过当描述宏观物体的低速运动时，量子力学和相对论都会自动简化为牛顿力学。所以但凡是牛顿力学正确的时候，量子力学和相对论都是正确的。而当它们之间有矛盾的时候，每次都是牛顿力学错误，量子力学和相对论正确。
现在我们往往把牛顿力学称为经典力学（classical mechanics），并把经典和量子作为一对对照的词。例如，量子计算机（quantum computer）是现在的热门研究领域，而跟它相对的就称为经典计算机（classical computer）。
其实经典计算机是个有点滑稽的词，因为它的基本原理就是——量子力学。经典计算机指的是我们现在用的、成熟的电子计算机，其中的半导体、晶体管等技术都来自量子力学。为什么这么量子的东西会被称为经典计算机呢？因为跟量子计算机相比，它还是“经典”的。量子计算机指的是正在研发的未来的计算机，它以量子力学的叠加、测量、纠缠等原理为基础，有望对某些数学问题（例如因数分解）实现比经典计算机强大得多的计算能力。
如果你明白了量子是什么，不是什么，你的知识水平就超过了99%的人。如果你明白了量子科技指的是以量子力学为基础的科技，明白了量子力学与经典力学的关系，你的知识水平就超过了99.9%的人。