【薛饿】亲爱的，我把量子力学放大了！
扩展猫粮
本期猫粮参考自 「知乎大学」 之 《淼懂物理学》
文中引用部分为课程原文
《亲爱的，我把孩子缩小了》都有谁看过请举个手！就是男主发明了一把放大缩小枪，不小心把孩子们缩小了，然后这几个孩子在水管、草丛等地方和昆虫大战三百回合的那个电影！
嗯……跑题了……
这些年我们经常听到“量子”这个词汇，比如量子力学、量子通信、量子催眠……
当然这家量子催眠肯定是骗人的。毕竟量子效应只有在微观世界才比较明显，放到宏观世界人类就看不到了，这也正是量子力学的神奇所在。
所以，为了能够在宏观世界，也就是现实生活中体验到量子现象，我们的主角也发明了一把枪。这把枪可以放大量子力学中的某些效应，并应用到高尔夫球、汽车等实实在在的物体上（虽然这把枪是我们瞎编的，但是相关理论是确实存在的）。
不幸的是，这把枪被熊孩子抢跑了……
“量子”与中型猛兽
熊孩子跑出家门后，首先朝着高尔夫球开了一枪。然后……这球就打不动了。就算加大力气把它打了出去，飞行距离也都是特定的几个数值。
这个场景的原型，就是爱因斯坦的光电效应。
在解释光电效应之前，我们先来解决一个根本问题——“量子”到底是什么意思？
我们知道，在分数里边，分母不能是0。主要是因为分母越小，整个分数就越大。比如1/0.5=2，1/0.2=5。当分母变成0的时候，整个分数变成了无穷大，这就给计算带来了很多逻辑上的冲突。
类似的道理，物理学家普朗克发现，如果光的能量没有下限，那么在计算的时候就会出现无穷大的情况。所以他就推测，光的能量应该有个最小值，普朗克将这个最小值命名为“量子（quantus）”。
然后他进一步猜测，光的能量只能是“量子”的整数倍。就好比我们说笼子里有2“只”狗，这个动物园有40“种”猛兽。“量子”成为了衡量光的能量的一个单位。而且，就像不同事物有“一个”、“一种”、“一只”等不同的量词，不同颜色的光也有大小不一的“量子”。
借用国际知名物理学家李淼老师的描述就是：
虽然光从表面上看是不可分割的，但其实它具有的能量是可以分割的，并且能分割到最小的单位——量子。我们所说的“量子”，就是指这种物理量本身不连续、总是一份一份分布的特性。
轻于气球，重于铅球的量子
现在我们再来看高尔夫球的理论原型，光电效应。
光电效应指的是：
用光照射金属就可以从其内部打出电子。这并不奇怪。光可以把自身的能量传递给电子，使它获得足够的能量从而逃脱金属原子对它的束缚。但奇怪的是，这种现象依赖于光的频率。在一定频率之上的光，只要一照就可以从金属中打出电子；而在此频率之下的光，无论照多长时间也无法把电子打出来。
这就像视频中的高尔夫球，非常反直觉。讲道理，我打球的时候使劲越小，球飞的应该就越近；使劲越大，球飞的应该就越远。现在如果力气不够，球就纹丝不动。必须先蓄力，然后奋力一击，才能让球飞出去，简直匪夷所思。
再打个比方：
你要把一个大水缸里装满水。按理说，你用大脸盆一盆一盆地往里倒水，可以把水缸装满；你用小水杯一杯一杯地往里倒水，也可以把水缸装满。但现在光电效应实验告诉我们，用大脸盆可以把水缸装满，但是用小水杯就不能把水缸装满了。
是不是非常奇怪？
为了解释这个效应，爱因斯坦进一步猜测，“量子”和光子本质上就是一回事儿。
也就是说，“量子”不仅具有看不见摸不着的能量，它还具有实体。这样一来，“量子”这个概念就和原子、电子等概念很像了， 一下子就赋予了“量子”一种很具象化的感觉。
“量子（光子）”打到电子上，有点儿像用球打人。低能量的“量子”就是气球，高能量的“量子”就是铅球。你拿气球打人当然打不动，就算扔1万个气球过去也是白搭。但你换成铅球试试？
不连续的火焰
现在我们知道了为什么高尔夫球一开始飞不出去，但仍不知道为什么飞出去之后只能落到几个固定的地点上？
当我们在燃烧煤炭的时候，我们可以测量这块煤炭发出的光的频率以及光的颜色。或者，当我们把一块铁熔化的时候，铁的温度就会变得非常高，同时也会发出光。
这个现象很符合我们的日常现象，燃烧就会发光嘛。
所以科学家就采取了一些手段，提高了氢原子的能量，让它也“燃烧起来”。不出所料，氢原子也发光了。可让人费解的是，氢原子发出的光是不连续的。
回想一下，我们点蜡烛的时候，火焰的颜色是不统一的。外边的偏红，里边的偏黄，中间部分则是由黄逐渐过渡到红色的。现在科学家的发现，就像是这个中间的过渡色凭空消失了，只有内层的黄色和外层的红色。
这是什么鬼？
后来科学家们发现，之所以出现这种诡异的光，是因为氢原子中的电子的能量也是不连续的。比如说电子只能有10、20、30……等能量值，而绝不会有11、23等数字的出现。这就导致了氢原子发出的光也是不连续的，只有特定的一些频率、能量、颜色（当然肉眼是分不出来的）。
高尔夫球的落点，也正对应着氢原子中的电子的这些能量值，它们都是一份一份的，跟前面提到的“量子”有异曲同工之妙。
凿壁偷波
后两个场景就比较好懂了。
德布罗意波指的是，所有物体，包括石头、树枝、人体等，都具有一定的波动性。那什么是波动性呢？
波动性有很多特征，最有代表性的就是我们熟悉的衍射现象。
比如我们小时候学到的凿壁偷光，就很可能是衍射现象。因为墙上的洞就那么一点儿，按理说偷过来的光斑大小应该和墙上的洞大小一致，根本不够用。但实际上匡衡还是成功的看到了书，因为照在书上的光实际上要比墙上的洞大多了。这就是衍射的一个重要特点：波可以一定程度上绕过障碍物进行传播。
当然，凿壁偷光的故事用到的原理也有可能是漫反射。我们不知道他抠的洞到底有多大，所以不能直接下结论。
回到德布罗意波上，它说所有物体都有波动性。那么人体能不能像光一样，绕过障碍物呢？
人体实在太大了，波动性非常弱，不具有明显的衍射效应，不可能绕过砖缝。
不过视频中的熊孩子利用我们虚构的量子枪，成功提高了自己的波长，从而让自己“绕过”身后的墙壁，从缝隙中“波儿”了过去。
薛饿第23期：最完美的毁尸灭迹
最后我们还提到了海森堡不确定性原理，这个原理我们在往期节目中提到过，那期的物理顾问刚好也是李淼老师( ⁼̴̀ .̫ ⁼̴́ )✧ 所以这里就不再赘述了。
——————————
受限于文章的篇幅和我们自身的姿势水平，可能会有很多讲述不尽人意。
李淼老师是国际知名物理学家，担任中山大学天文与空间科学研究院院长，曾为马云、徐小平单独开课。我们之前的《最完美的毁尸灭迹》也得到了很多来自李淼老师的帮助。
最近李淼老师在「知乎大学」上开设了通俗易懂的“淼懂物理学”。如果大家对量子力学、相对论或者其它物理学感兴趣，可以到李淼老师的课程里去看看，感受一下课堂上不曾体验过的趣味姿势 ( ⁼̴̀ .̫ ⁼̴́ )✧
↓ 长按扫码，进入「淼懂物理学」 ↓
——————————