量子 人人都能懂的量子理论

你有没有被量子物理中那些奇怪的想法弄疯过？

首先，不要慌。你不是唯一疯了的人。正如美国传奇物理学家理查德·费曼所说:“我可以大胆地说，没有人理解量子理论。”

但是，要描述世界，量子论真的不可或缺。

在这篇文章中，我们将逐一分解量子理论的思想，以便每个人都能理解它

什么是量子论？

经过几千年的争论，我们终于知道，物质最终是由电子、夸克等微观粒子组成的。这些小家伙像乐高积木一样组合在一起，形成原子和分子，原子和分子就是组成宏观世界的“乐高积木”。

为了描述微观世界是如何工作的，科学家们开发了一套称为量子力学的理论。虽然这个理论做出的预测很奇怪，但它是目前物理学中最精确的理论，经受住了百年来的严格考验。没有量子理论，我们身边的很多技术，包括电脑中的芯片，智能手机，都是不可想象的。

量子论很奇怪，但其正确性毋庸置疑。科学家们争论的只是如何解释它。

“量子”到底是什么意思？

如果妈妈告诉你，"把这罐辣酱放在厨房的柜子里。"储物柜是分层的。可以选择这一层，也可以选择那一层，但是相邻两层之间不能放辣酱，比如2.5层。因为没有意义。

用物理学术语来说，你的储物柜是“量子化”的，只能分为离散层、两层和三层...不可能再细分为0.6层、1.5层、2.8层、3.45层...

在量子世界里，一切都是量子化的。例如，原子中的电子只能停留在离散的能层。就像你厨房里的储物柜，相邻两个能级之间没有它的位置。

但是量子行为很奇怪。如果你把能量给下层的一个电子，它就会跳到上层。这叫量子跃迁。但是你给的能量一定要合适，也就是刚好等于两层的能量差，否则就会“暴躁”而被拒绝。

想象一下，你脚下有一个“量子足球”，离你从近到远10米有一些沟渠，相当于一个能级。大多数人会觉得用的力太小，球虽然飞不起来，但是用的力很大，让球飞可以吗？但事实并非如此。只有当你用很小的力量或者没有力量踢“量子足球”的时候，它才能掉进这条沟里，它才会咆哮，否则，不管你怎么踢它，它都会留在原地。是不是很奇怪？

还有一个类比。如果开“量子车”，只能以5 km/h、20 km/h、80 km/h的速度行驶，不允许两者之间的速度。换挡时，你突然从5 km/h跳到20 km/h，速度的变化瞬间发生，你几乎注意不到加速过程。这可以称为速度的“量化”。

量子力学VS经典力学

以上例子让你一窥量子世界的奇诡。说实话，我们熟悉的支配“经典”世界的规则，在微观世界基本都失败了。只剩下几个成果，比如能量守恒，电荷守恒等等。

“经典”是物理学家用来描述“日常感受”的术语——当事物在你的日常经验范围内表达时，我们说它是“经典”。

台球是经典的玩物。它在遇到另一个球或者桌边之前，总是沿着桌子上的一条直线滚动，完全符合我们的日常体验。但是球中每个单个原子的运动都遵循量子力学的规律，比如它可以随时消失。

但这并不意味着微观世界和宏观世界的规律就完全“老了，死了”。作为物理定律，量子定律无疑更基本，但是当很多粒子聚集在一起时，它们的整体行为非常接近经典物体的行为，所以可以用经典定律来描述。比如组成台球的一个粒子，可能很“任性”，但当亿万个粒子聚在一起时，它们的“任性”相互抵消，整体行为变得越来越“有规律”。如果你有一台超级计算机，考虑一下组成台球的几亿个原子，然后完全按照量子力学计算，你会发现这几亿个原子的整体运动和牛顿力学直接描述的是一样的。

这叫对应原理。也就是说，当大量微观粒子聚集在一起时，奇怪的量子效应就会消失，其整体行为就会变得“经典”。这个原则在某些情况下是有用的。比如一些大分子团，要说是经典对象，似乎太小了；要说是量子物体，好像太大了。这时候可以把量子定律和经典定律结合起来。本来只需要用量子定律，但是计算量太大。既然有对应原理，就可以把一些计算简化成经典对象。

海森堡测不准原理

在量子物理中，严格意义上的东西是不可知的。比如，你永远不可能同时知道一个电子的位置和动量，就像你永远不可能让一个硬币的两面朝上一样。

有些书是这样教你理解测不准原理的:比如你想知道一个电子在哪里，你就得用什么东西去探测。但是光是一种波，它的分辨率取决于它的波长。波长越短，分辨率越高。所以，为了更准确的测量电子的位置，最好选择波长更短的光。但是光是一种粒子，它的能量与波长成反比。波长越短，能量越高。光子能量越大，与电子的碰撞越大。这样，再仔细探测，也会改变电子的动量。在经典世界中，观测或测量对被观测对象的干扰是可以忽略的，但在微观世界中，这种干扰无论如何也不能忽略。

这当然是真的。但是，测不准原理其实比上面的理解更深刻。它说的是自然界有一种天然的暧昧。在测量之前，电子的状态是各种可能状态的叠加。它处于叠加状态。叠加态自然是模棱两可的:可能是这样也可能是那样，或者几种可能性同时并存。只有在测量的时候，才被迫选择某个状态来呈现。

就像一枚“量子硬币”，在落下之前，它的状态是“面朝上”和“背朝上”的叠加。只是当它落地停下来的时候，被迫选择留在两种状态中的一种。

波粒二象性

量子物体具有分裂的个性——有时它们的行为像波，有时像粒子。它们的性能取决于你在设计实验时是把它们看做波还是粒子。

比如我们知道粒子的运动是有轨迹的，而波的特点是贯穿空，没有确定的轨迹。当你把一个量子物体当成一个粒子的时候，如果你想知道它的轨迹，那么它的行为就像一个粒子。如果要看它的波动特性，比如干涉、衍射等。，在设计实验时，它会显示波的特性。

量子力学中有一个著名的双缝实验。它之所以出名，是因为它显示了量子的许多奇怪特征。我们以此为例来谈谈。

如果你在一个池子里设置一个两个垂直狭缝的屏障，然后把手指浸入水中产生水波，水波就会穿过这两个狭缝。穿过两个狭缝的水波在屏障后相互干涉，形成干涉图案。

如果你把屏障拿出水面，对着缝隙发射一束子弹，子弹会直接穿过这个缝隙或者那个缝隙，在屏障后面留下两个截然不同的弹痕，没有干涉图案。

这是经典波和粒子在双缝实验中的表现。但奇怪的是，微观粒子，如电子，可以同时显示两者。

如果你把电子射向狭缝，甚至像子弹一样控制它，一次射一个，一开始屏障后面就开始形成两个明显的“弹痕”，说明电子的行为像粒子；但是，随着你发射的电子越来越多，弹痕也逐渐模糊。最后，屏幕上出现明暗干涉的图案，然后又表现得像波一样。似乎每个电子同时通过两个狭缝，相互干涉。

根据测不准原理，可以这样解释:因为电子是量子物体，我们无法确切知道它的位置。一个电子有机会穿过一个狭缝和另一个狭缝——因为两者都是可能的，所以它实际上同时经历两个过程。换句话说，每一个电子同时通过两个狭缝，与自身发生干涉，这是真的。

现在，更奇怪的事情来了。假设你在两个狭缝的两边各放一个粒子探测器，看看电子通过了哪个狭缝。你的意图可以成功。例如，当电子击中探测器的探头时，它会一直明亮地闪烁。你开心地欢呼:“你这个鬼，我终于抓到你了！你刚刚修了这条缝，现在你正在修那条缝。”但是当你把头放在屏障后面的时候，你会发现不好的地方:干涉图样消失了，只留下两个像子弹痕迹一样的直狭缝投影。

根据前面的解释，这是因为你知道电子通过哪个狭缝后，就不再是叠加态了，所以你只能选择一条路径，通过一个狭缝。电子的涨落行为消失了，表现得和粒子一模一样。

如果你还对上面的解释感到头疼，请想想事实，可能有些安慰:物理学家其实无法接受这个解释，他们一直在为这个明显的悖论绞尽脑汁。

波函数

这是一种用来描述波粒的数学。

很重要的一点是，一个量子波函数可以包含很多可能的解，每一个解对应一个可能的现实，波函数是这很多可能的解按照一定的概率叠加而成的。比如一个“量子硬币”的波函数包含“面朝上”和“面朝下”两种解，每种解对应一个现实，实现的概率分别为50%。

令人惊讶的是，不同的解在叠加态下似乎仍然相互作用。其实这一点我们在前面的双缝实验中已经看到了。当电子同时经历了两种可能的轨迹，通过一个狭缝和另一个狭缝时会发生干涉。我们的观察或测量似乎在波函数中起着神秘但至关重要的作用，即导致波函数坍缩，迫使原来的叠加态做出另一种选择。好像我们对大自然说:“哎，别跟我含糊，你一定要给我一个明确的答案。”所以自然，我不得不犹豫回答“是还是不是”和“一个又一个”。

为什么观测可以迫使波函数坍缩？这是一个没人能解释的机制，所以很神秘。

测量引起的波函数坍缩和叠加坍缩是不可逆和不可恢复的。这是量子通信的基础。量子通信相对于传统通信最大的亮点是保密性好。它为什么能做到这一点？由于信息的载体被窃听者截获，他为了获取信息不得不进行测量，但测量后光子的状态发生变化，很容易被通信双方检测到。所以量子通信虽然无法阻止被窃听，但窃听者很容易暴露自己。

叠加和薛定谔的猫

想象一只猫和一小瓶氰化物在一个封闭的盒子里。瓶子上方有一个由电子开关控制的锤子。如果开关是由随机量子事件触发的，锤子就会击穿并砸碎装有氰化物的瓶子，猫就会死。

奥地利物理学家薛定谔构想的这个思想实验，用来说明叠加态的概念。

铀的衰变遵循量子定律，所以它的波函数有两种解:衰变或不衰变。根据量子论，两种可能性都存在于测量之前。其实你可以认为，在测量之前，铀原子同时衰变而不衰变，处于叠加态。

因为猫的命运取决于铀原子的衰变，你不得不承认，当铀原子处于衰变和非衰变的叠加状态时，猫也会处于生与死的叠加状态。也就是说，在我们打开盒子观察之前，猫是既死又活的。

叠加态是量子计算机的基础。传统计算机只在0和1上运行。一位信息是0或1。而量子计算机直接在1量子位上运行，是0和1态的任意叠加。这种叠加形式几乎是无限的。这就是为什么量子计算机不能以与传统计算机相同的速度运行的原因。

什么是量子纠缠？

量子纠缠是指当两个粒子密切相关时，一个粒子的测量会立即影响到另一个粒子，无论它们相距多远，即使一个在地球上，另一个在宇宙的边缘。

这有点像你小时候可能玩过的游戏:大叔每只手里拿着一个彩球，一红一蓝。让你先看，然后在背后搅和。搅拌后取出，这样就可以猜出每只手里球的颜色。在你看来，这两个球就像是“纠缠”——如果他左手拿着一个红色的球，就意味着他右手一定拿着一个蓝色的球；反之亦然。

但量子情况更神秘，因为在叠加态下，每个“球”都没有确定的颜色。在任何时刻，红色或蓝色都可以以同样的概率出现，而且是完全随机的。

如果你观察一个“量子球”，它的波函数坍缩，它会被迫选择某种颜色，比如红色。然而与此同时，另一个离宇宙边缘很远的纠缠“量子球”，它的波函数立刻坍缩，立刻出现某种补色，比如蓝色。问题是，我们没有对后者进行任何直接的观察，对其没有影响。

这样，对一对量子纠缠粒子中的一个粒子进行操作似乎会立即影响另一个粒子，不管它们相距多远。爱因斯坦觉得这违背了他的相对论提出的“任何运动或力的传递都不能快于光速”的原理，于是他把量子纠缠贴上了“幽灵相互作用”的标签。

量子纠缠是“量子隐形传态”的基础。所谓量子隐形传态，就是瞬间将A地的一个粒子的状态转移到B地的另一个粒子，就像某些科幻小说中描述的“超时空隐形传态”。但是请注意，这里传递的不是粒子本身，而是粒子的状态，也就是只传递信息。

量子理论解释

虽然量子论的上述想法非常神秘和吸引人，但说实话，大多数物理学家并不特别关注。他们是实用主义者，只关心最终的计算结果:让他解释理论，只要计算结果与实验一致。

当然，也有一些具有哲学气质的物理学家试图阐明这些问题，于是对量子理论给出了各种解释。这些解释已经在2017年11月发表的文章《量子物理学的高峰》中详细讨论过。这里只简单介绍一下主要的解释。

哥本哈根学派的解释——在我们衡量之前，确定的现实是不存在的。只有当我们观察时，观察到的行为导致波函数“坍缩”，某种现实才出现。

多世界解释——每一次量子测量都会引发无数平行宇宙的诞生，叠加态的每一种可能性都会在每一个新的宇宙中成为现实。你之所以观察到薛定谔的猫还活着，只是因为这个“你”恰好和活着的猫在同一个新生的宇宙里。

德布罗意的导波解释——微粒子的行为像经典粒子，但你要想象它们像冲浪运动员一样骑在所谓的导波上。粒子产生波，波又引导粒子运动，等等。