世界上根本没有物质这个东西，物质是由快速振动的量子组成?

在物理学史上，有很多的科学家和他们的发现都使得我们对世界的认知产生了深刻的变革。而普朗克，这位被誉为“量子理论之父”的科学家，无疑是其中的翘楚。他的一句“我对原子的研究最后的结论是——世界上根本没有物质这个东西，物质是由快速振动的量子组成”，似乎颠覆了我们数千年来对物质的固有认知。

(资料图)

想象一下，当你拿起一本书、一杯水或任何你认为是“实物”的物体，你实际上正在与一个由快速振动的量子组成的“幻影”互动。这听起来是不是很像科幻小说的情节？但这并不是科幻，而是现代物理学的基石。

这个观点不仅改变了科学家们对物质的看法，也影响了我们的日常生活和技术的进步。从基本的科研到高端的技术领域，从深入的宇宙探索到细微的生物研究，这种新的物质观念都发挥着不可或缺的作用。

那么，普朗克是如何得出这一结论的呢？为什么他的这一观点如此颠覆性和重要？为了更好地理解这一点，我们需要回溯到物质概念的起源，并从中梳理出那些改变我们对物质认知的关键节点。

在古代，人们对于物质的理解是直观和具象的。古希腊的哲学家们相信所有的物质都是由“元素”构成的，包括土、水、火和风。这四个元素在各种组合中形成了我们所看到和感知到的世界。

随着科学的发展，到了17-19世纪，化学和物理学逐渐崭露头角。研究者们开始意识到，所有的物质都是由原子组成的，并且这些原子由更小的粒子——电子、质子和中子组成。

进入20世纪初，随着科技和实验设备的进步，人类对原子内部的世界有了更深入的了解。这一时期，物理学家们开始发现了一系列令人困惑的现象，这些现象不能用经典物理学来解释。例如，电子的行为在某些情境下更像波而不是粒子。

这些令人困惑的现象促使科学家们寻找新的理论来解释。1925年，德国物理学家海森堡提出了量子力学的初步形式。此后，这个理论逐渐被完善，形成了今天我们所知的量子物理学。而普朗克，正是这一革命性理论的开创者之一。

量子物理学提出，物质的行为在微观尺度上是不确定的，并且与我们在宏观世界中的直观经验有所不同。这就为普朗克的那句名言奠定了基础：“世界上根本没有物质这个东西，物质是由快速振动的量子组成”。

当我们提及“实物”或“物质”，大多数人会想象到它们是稳定、连续和确定的。然而，量子理论挑战了这种日常直觉，并为我们展现了一个完全不同的微观世界。

量子力学认为，微观粒子如电子、质子和中子并不总是处于一个明确的状态。相反，它们处于一个“可能性”的叠加状态，直到我们对其进行观测。这就是著名的“观测者效应”，意味着粒子的状态会受到我们观测的影响。

再来看一个关于电子的经典实验——双缝实验。当电子经过两个缝隙时，它们会产生干涉图案，就好像它们是波而不是粒子。但当我们试图观测哪一个缝隙电子穿过时，这种干涉图案就消失了，电子又表现得像粒子。这表明电子既像粒子又像波，取决于我们如何观测它。

此外，量子力学还引入了“量子不确定性”原理，由海森堡首先提出。它告诉我们，在任何给定时间，我们不能同时知道一个粒子的位置和速度。这与我们日常经验完全不同，我们通常认为一个物体的位置和速度都可以被准确地确定。

量子理论的这些奇特特性，虽然与我们的直观经验不符，但已被大量实验验证。它不仅改变了我们对物质的看法，还为我们提供了新的工具和技术，如激光、超导和即将到来的量子计算机。

我们生活在一个看似清晰、有序的宏观世界中，但深入到原子和亚原子级别，这个宇宙变得模糊和不可预测。这主要是由于两个核心的量子原理：量子叠加和不确定性原则。

量子叠加 是一种描述粒子存在于多种状态的同时性的概念。简单来说，一个粒子可以同时处于两个不同的位置，或者既是粒子又是波，直到被观测。这听起来可能难以置信，但实际上，这是量子物理学中的核心原理。实际的应用，如量子计算机，正是利用了这种叠加性来实现超高速的并行计算。

不确定性原则，又称海森堡不确定性原则，告诉我们不能同时准确地知道一个粒子的位置和动量（或速度）。这意味着，当我们试图更准确地测量一个粒子的位置时，我们对其动量的知识就会变得更加模糊，反之亦然。

这些量子原理与我们日常生活的直观经验截然不同，但却是自然界最基础的规律。在这个量子尺度上，世界是由概率和波函数描述的，而不是确定性的。

这种“模糊性”可能听起来很奇怪，但它为科学家和工程师提供了巨大的机会。例如，量子隐形传态就是基于量子叠加和纠缠，能够在没有真正传输物质或能量的情况下，传输信息。

但为什么在宏观世界中我们看不到这些“模糊”的行为呢？这是因为量子效应在宏观尺度上被平均化了。所以，尽管我们的宇宙在微观层面上可能看起来模糊和不确定，但在宏观尺度上，这一切又变得清晰和有序。

当我们进一步深入探索量子物理学的神奇之处时，一个非常引人入胜的现象就是量子纠缠。它被爱因斯坦描述为“鬼魅似的远距作用”，尽管这一描述在物理学界引起了不小的争议，但纠缠确实是一个令人震惊的现象。

量子纠缠是指两个或多个粒子在其量子状态上形成了某种不可分割的联系，即使这些粒子被分隔得很远，它们的状态仍然是相互关联的。这意味着，当你测量其中一个纠缠粒子的状态时，另一个粒子的状态也会瞬间确定下来，无论它们之间有多远的距离。

实验数据支持了这种现象，但它违反了我们的日常直观感受和经典物理学的基本原理。在宏观世界中，信息不能瞬间传输，它总是受到光速的限制。但在量子纠缠中，这种信息的“瞬间传输”似乎并不违反光速的限制，因为它不涉及真实的能量或信息的传递。

量子纠缠已经在量子通信、量子计算和量子密码学中找到了实际应用。例如，利用量子纠缠，科学家们已经成功地进行了所谓的“量子隐形传态”，这是一种在不真正传递粒子的情况下，传输其量子状态的方法。

那么，量子纠缠如何形成呢？简单来说，当两个粒子在某种方式下互相作用，例如通过碰撞，它们的量子状态可能会相互关联起来，形成纠缠。一旦纠缠，这种联系就不会轻易断裂，除非外部干预。

量子纠缠展示了量子世界的非局域性，意味着在某种意义上，物质和空间在量子层面上是相互关联的，而不是独立的。这再次颠覆了我们对宇宙和物质的传统认知。

当我们深入探讨量子物理学时，必然会遇到一个名为“量子场论”的概念。这一理论提供了一个更全面、更深入的视角，帮助我们理解物质的真正本质。

在古典物理中，我们经常将物质看作是由不可分割的基本粒子构成的。但在量子场论中，这些粒子实际上是场的局部振动或扰动。你可以将它想象成一个弹性的平面网，当你在某个地方敲击这个网，它会产生波动。在量子场论中，我们的宇宙是由多个这样的“场”组成的，而我们所称的粒子，如电子、光子或夸克，实际上只是这些场的不同模式的振动或扰动。

每一个场都有与之关联的粒子。例如，电磁场与光子关联，电子场与电子关联。当场被“激发”或“扰动”时，我们看到的是对应的粒子。这种理论解释了为什么粒子在某些实验中表现得像波动，而在其他实验中表现得像实体。

量子场论不仅为我们揭示了物质的量子性质，还为强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用提供了统一的框架。这些相互作用是四种基本力中的三种，其中第四种是引力。尽管至今我们还没有完全将引力纳入量子框架，但科学家们正在努力解决这一难题。

普朗克的观点，即“物质是由快速振动的量子组成”的理念，在量子场论中得到了进一步的印证。物质并非固定不变的实体，而是一个动态、波动的过程。

然而，这并不意味着我们的现实世界是一个虚幻的幻觉。相反，它提醒我们，即使在我们日常生活中认为是最基础、最固定的事物，也有其深层次的、令人惊奇的复杂性和动态性。

当我们在宏观尺度观察物质，例如一个桌子、一个苹果或一块石头，它们都显得坚固、连续，甚至是静态的。但当我们逐渐放大镜头，深入至原子、分子，再到更为微小的基本粒子，我们将会发现一个完全不同的景象。

原子世界的舞蹈

首先，我们需要明确一点：原子是空的。一个原子的直径大约是10^-10米，而其核心（由质子和中子组成）的直径只有大约10^-15米。这意味着原子的99.9999999%是空的。那些围绕原子核旋转的电子，实际上是一种存在于电子云中的概率波动。这就是量子物理为我们揭示的原子内部的真实情况。

量子的振动

如上所述，量子场论告诉我们，物质的基本粒子实际上是场的振动。这意味着，当我们说一个物体是由“快速振动的量子”组成时，我们实际上是在描述这些基本粒子如何在相互作用的场中振动和波动。

波粒二象性

电子、光子等基本粒子不仅展现出粒子特性，也展现出波特性。这就是所谓的波粒二象性。例如，当光通过双缝时，它会形成干涉条纹，这是光的波动性的体现。但同时，当我们逐一发送光子，它们又表现得像粒子。

这种波粒二象性是量子物理最基本的特性之一，也是普朗克观点的关键支撑。

综上所述

当我们说“物质是由快速振动的量子组成”，我们实际上是在描述一个更为基础的物质形态。在这个层次上，物质不再是坚固的、分离的实体，而是一个连续的、动态的过程，由场的振动和粒子的相互作用组成。

随着科学的进步，普朗克的那些“看似疯狂”的观点逐渐得到了实际应用，进而塑造了我们当今的高科技世界。其中，量子计算与超导技术都是量子物理理论的具体实践。

量子计算：另类计算的革命

传统计算机使用二进制位表示信息，每一位要么是0，要么是1。然而，量子计算机使用的是量子位或称为“qubit”。由于量子叠加原理，一个qubit可以同时处于0和1的状态，使得量子计算机在理论上能够处理的信息比传统计算机多得多。

这意味着量子计算机可以同时进行大量计算，解决传统计算机需要数年或数十年才能解决的问题。例如，大整数的因子分解、优化问题和某些类型的模拟都在量子计算的能力范围内。

超导：零电阻的奇迹

当某些材料被冷却到接近绝对零度时，它们会变成超导体，电流可以在其中流动而不会遇到任何电阻。这种现象的发现是在1911年，但直到量子物理的发展，我们才开始真正理解其背后的机制。

超导的关键是电子的某种特殊配对，称为库珀对。这些电子配对允许它们在超导材料中无阻地流动。这种现象有着巨大的应用潜力，从医疗成像的磁共振设备到无损能量传输都有所体现。

量子物理的实用性

这两个例子展示了量子物理不仅仅是抽象的概念或数学模型。它真实地、深刻地影响着我们的日常生活和未来的技术前景。普朗克的那些看似“离奇”的观点，实际上为我们打开了一个全新的技术大门，这扇门仍在向我们揭示未知的科技奇迹。

回想一下，自人类文明的开始，我们一直试图理解自己身边的这个世界。从古代哲学家对原子的讨论，到中世纪炼金术士对元素的追求，再到今天的物理学家对量子世界的探索，人类对物质的理解已经经历了长达数千年的演化。

普朗克的颠覆性观点，即“世界上根本没有物质这个东西，物质是由快速振动的量子组成”，其实是对这一探索之旅的高度概括。这句话背后的含义不仅仅是物质的本质，更是对整个宇宙如何运作的描述。

量子物理教给我们的是，我们所看到、触摸到的每一样东西，都是一个庞大、细微、脆弱的量子交互系统的产物。那些我们以为是实实在在的物体，实际上在微观层面都是在不断地“跳跃”和“振动”。

这种观点或许会让人们觉得不安，感觉身边的一切都变得模糊和不确定。但与此同时，这也为我们提供了一种全新的视角，去看待身边的世界，去感受生活中的每一个奇迹。

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