我们人人都能懂的量子理论

你是否曾被量子物理里面那些八怪七喇的思惟搞得神经错乱？

起首，不要惊慌。神经错乱的不只你一个。正如具有传奇色彩的美国物理学家理查德﹒费曼所说：“我可以斗胆地说，没有人懂量子理论。”

然而，要描述这个宿世界，量子理论又是确实不成少的。

在这篇文章中，我们将把量子理论的思惟一一分化，让谁都能懂

什么是量子理论？

颠末几千年的争论，我们此刻终于知道了，物质追根究底是由像电子、夸克如许的微不雅粒子构成的。这些小家伙像乐高积木一样组合在一路，形当作了原子和分子，而原子和分子又是拼当作宏不雅宿世界的“乐高积木”。

为了描述微不雅宿世界是若何运作的，科学家成长出一套叫量子力学的理论。这个理论做出的预言固然很是怪僻（例如，粒子可以同时呈现在两个处所），但它是今朝物理学中最切确的理论，在曩昔近百年里经受住了严酷的查验。没有量子理论，我们四周的很多手艺，包罗电脑和智妙手机里的芯片，都是不成想象的。

量子理论很怪僻，但它的准确性不容思疑。科学家们所争论的，仅仅是若何诠释它。

“量子”到底是啥意思？

假如妈妈叮咛你：“把这罐辣酱放到厨房储物柜里。”储物柜是分层的。你可以选择放在这一层或那一层，但你总不克不及把辣酱放在相邻两层之间，譬如2.5层吧。因为那是没有意义的。

用物理学上的术语说，你家的储物柜是“量子化”的，只能分当作离散的一层，两层，三层……不成能再细分为0.6层，1.5层，2.8层，3.45层……

在量子的宿世界里，任何工具也都是量子化的。举例来说，原子中的电子只能呆在一些离散的能量层里（称为能级）。跟你家厨房的储物柜一样，两个相邻的能级之间，是没有它的安身之地的。

可是量子的行为十分诡异。假如你给待在较低层的电子一个能量，它就会跳到更高的层。这叫量子跃迁。不外，你给的能量必需合刚才行，即刚好等于两层之间的能量差，不然它会“耍脾性”拒收。

设想你脚下有一个“量子足球”，在你10米之外有一些由近及远的沟，它们半斤八两于一条条能级。一般人会想，用的力太小，当然球飞不起来，但用的力很年夜，让球飞起来总没问题吧？但事实上不是。仅当你踢“量子足球”的力不多不少刚好能让它失落到这条那条沟里的时辰，它才会呼啸而起，不然任你怎么踢，它也会待在原地不动。很奇异吧？

还有别的一个类比。假如你驾驶着一辆“量子汽车”，你只能以5千米/时、20千米/时或80千米/时的速度行驶，在它们之间的速度是不许可的。换挡的时辰，你俄然就从5千米/时跳到了20千米/时。速度的转变是刹时发生的，你几乎发觉不到加快的过程。这可以叫速度的“量子化”。

量子力学VS经典力学

上述例子已经让你稍稍领略了量子宿世界的诡异。说真话，统治我们熟悉的“经典”宿世界的法则在微不雅宿世界根基上都掉效了。只有少数几个硕果仅存，像能量守恒、电荷守恒等等。

“经典”是物理学家用于描述“日常感受”的术语——当事物的表示不超出你日常经验的规模，我们就说它是“经典”的。

台球就是一个经典物体。在碰着另一个球或桌沿之前，它老是在球桌上沿着一条直线滚动，这完全合适我们的日常经验。但球里每一个零丁的原子的活动，却遵循着量子力学的纪律，好比说，它随时都可以消逝。

但这并不料味着，微不雅和宏不雅宿世界的纪律完全“老死不相往来”。作为物理纪律，量子纪律无疑更根基，可是当良多粒子堆积在一路时，其整体行为就很是趋近于经典物体的行为了，这时你就可以用经典纪律来描述。好比说，构成台球的一个粒子，或许很是“率性”，可是数以亿计的粒子聚在一路时，彼此的“率性”彼此抵消，整体行为就越来越“中规中矩”。你如果有一台超等计较机，把构成台球的上亿个原子考虑进去，然后完全按照量子力学来计较，你会发现，这上亿个原子的整体活动跟直接用牛顿力学来描述是一样的。

这叫对应道理。就是说年夜量微不雅粒子堆积一路时，诡异的量子效应将会消逝，其整体行为就会变得“经典”。这条道理在某些环境下很有效。好比一些年夜分子团，要说它是经典物体呢，似乎太小了；要说它是量子物体呢，似乎又太年夜了。这时辰，我们就可以量子纪律和经典纪律双管齐下。原本只要用量子纪律即可，但计较量太年夜了。既然存在对应道理，我们就可以把一部门计较简化当作经典物体来处置。

海森堡不确定性道理

在量子物理学中，某些工具从严酷意义上说是不成知的。例如，你永远不成能同时知道电子的位置和动量，正如你永远不成能让硬币的两个面都朝上。

有些书上教你如许去理解不确定性道理：例如，要想知道电子在哪里，你须得用某种工具（例如光子）探测它。但光是一种波，它的分辩率决议于它的波长，波长越短分辩率越高。所觉得了把电子的位置测量得更精确，你最好是选用波长越短的光。但光又是一种粒子，其能量与波长当作反比，波长越短能量越高。光子能量越年夜，对电子的碰撞也越年夜。如许一来，不管你的探测何等小心，城市改变电子的动量。在经典宿世界，不雅察或测量对不雅察对象的干扰可以忽略不计，但在微不雅宿世界，干扰无论若何是不克不及忽略的。

如许说当然也没错。不外，不确定性道理事实上比上述如许的理解更深刻。它说的是，天然界有一种生成的恍惚性。在测量之前，电子的状况（包罗它的位置、动量），是各类可能状况的叠加。它处于一种叠加态。叠加态具有自然的“含糊其词性”：既可能是如许，又可能是那样，或者说几种可能性同时并存。仅当测量时，它才被迫选择一种确定的状况呈现出来。

比如一枚“量子硬币”，当它落下之前，它的状况是“正面朝上”和“后背朝上”两种状况的叠加。仅当它落到地面静止下来，它才被迫选择逗留在两种状况中的一种。

波粒二象性

量子物体（如光子和电子）具有割裂的个性——有时它们的行为像波，有时又像粒子。它们的表示取决于你设计尝试时，是以波仍是粒子来对待它们。

例如，我们知道，粒子的活动是有轨迹的，而波的特点是在整个空间满盈，没有确定的轨迹。当你把量子物体看成粒子对待（如用粒子探测器探测它），想知道它的活动轨迹，好，那它就表示得像个粒子。假如你在设计尝试的时辰，想看看它的波的特征，如干与、衍射等，好，它就表示出波的特征。

在量子力学中有一个闻名的双狭缝尝试。它之所以闻名，是因为展示了量子的很多奇异特征。下面我们就以它为例子来谈谈。

假如你在一个水池里设置一个有两条竖直狭缝的樊篱，然后用手指蘸一下水发生水波，水波会穿过两条狭缝。穿过两狭缝的水波会在樊篱后面互相关涉，形当作一个干与图案。

若是你把樊篱从水里拿出，朝狭缝发射一堆枪弹，它们就会直接穿过这条或那条狭缝，在樊篱后留下两条分明的弹痕，而不会发生干与图案。

这是经典的波和粒子在双狭缝尝试中的表示。但诡异的是，微不雅粒子譬如电子，可以同时表示出两者。

假如你朝狭缝发射电子，甚至像发射枪弹一样节制好，一次发射一个，开初樊篱后面起头形当作两条较着的“弹痕”，申明电子表示得像粒子；但跟着你发射的电子渐多，弹痕也垂垂恍惚起来，最后竟然在屏幕上显示出明暗相间的干与图案，这时它又表示得像波了。倒仿佛每个电子同时穿过了两条狭缝，并与自身干与。

按照不确定性道理，可以如许诠释：因为电子是一个量子物体，我们不克不及切当地知道它的位置。电子有机遇穿过一条狭缝，也有机遇穿过另一条狭缝——因为两者都是可能的，所以它现实上同时履历了两个过程。换句话说，确实是每个电子同时穿过了两条狭缝，并与自身干与。

此刻，更诡异的工作来了。假如你在两狭缝边上各放置一个粒子探测器，来不雅察电子到底穿过了哪条狭缝。你的意图可以得逞，好比电子击中探测器的探头，不竭发出敞亮的闪灼，你欢快地欢呼：“你这个鬼家伙，终于被我逮着了！你适才走的是这条缝，此刻走的是那条缝。”可是，等你把头探到樊篱后面，就会发现年夜事不妙：干与图案竟然消逝不见了，只留下像弹痕一样的两条直截分明的狭缝投影。

按前面的诠释，这是因为你知道了电子穿过哪个狭缝之后，它不就再处于叠加态，所以只能选择一条路径，经由过程一条狭缝。电子的波动行为消逝了，表示得完全像粒子。

若是你对上述诠释还感应头疼，那么请想一想这个事实，或很多少受些抚慰：物理学家其实也不太能接管如许的诠释，他们一向都在为这个较着的悖论想破脑袋。

波函数

这是一种用来描述波-粒子的数学。

至关主要的是，一个量子波函数可以包含有很多种可能的解，每一个解都对应着一种可能的实际，波函数则是这很多种可能的解按必然概率的叠加。譬如，一个“量子硬币”的波函数包含“正面朝上”和“后背朝上”两种解，每一种解都对应一种实际，实现的概率各为50%。

令人惊奇的是，叠加态中分歧的解似乎还彼此感化。这一点，在前面的双缝尝试中我们其实已经看到了，当电子同时履历了两个可能的轨迹，既穿过这条缝，也穿过另一条缝时，就会发生干与。我们的不雅察或者测量，似乎对波函数起着一种神秘但又至关主要的感化，即造当作波函数的坍缩，迫使原先处于各类可能的叠加态做出非此即彼的选择。仿佛我们对天然说：“喂，别再跟我迷糊其辞，必需给我一个明白的回答。”于是天然只好吞吞吐吐做出“是与否”，“此与彼”的回答。

不雅察为什么能迫使波函数坍缩呢？这是谁也诠释不了的机制，所以很神秘。

测量导致的波函数坍缩，叠加态解体，是不成逆的，不成恢复的。这恰是量子通信的根本。量子通信优于传统通信的最年夜亮点是保密性好。为什么它能做到这一点呢？因为信息的载体（好比光子）被窃听者截获之后，他为了获得信息，不克不及不合错误它进行测量，但测量之后，光子的状况就改变了，如许就很轻易被通信的两边察觉。所以量子通信固然没法子阻止被人窃听，但窃听者很轻易表露本身。

叠加态和薛心猿意马谔的猫

想象一只猫和一小瓶氰化物被放置在一个密闭的盒子里。瓶子上方有一把用电子开关节制着的锤子。若是开关被随机发生的量子事务（例如铀原子的衰变）触发，锤子就会砸下来，把盛有氰化物的瓶子砸碎，猫就会一命呜呼。

这个由奥地利物理学家薛心猿意马谔设想的思惟尝试，是用来申明叠加态的概念的。

铀原子的衰变遵循量子纪律，所以它的波函数有两个解：衰变或不衰变。按照量子理论，在进行测量之前，这两种可能性都是存在的。事实上你可以认为，在测量之前，铀原子同时衰变又不衰变，处于两者的叠加态之中。

因为猫的命运维系于铀原子的衰变环境，所以你不得不认可，当铀原子处于衰变和不衰变的叠加态时，猫也将处于一种活和死的叠加态。便是说，在我们打开箱子不雅察之前，这只猫处于既死又活的状况。

叠加态是量子计较机的根本。传统的计较机只对0和1操作。1比特的信息，就是0或1。可是量子计较机直接对1量子比特进行操作，而1量子比特是0和1两种状况的肆意叠加，这种叠加形式几乎是无限的。这恰是量子计较机与传统计较机的运行速度不成同日而语的原因。

什么是量子纠缠？

量子纠缠是指当两个粒子（例如光子）紧密亲密相关时，对一个粒子的测量当即就会影响到另一个粒子，不管两者相距有多远，哪怕一个在地球上，一个在宇宙的边缘。

这有点像你仍是个孩子的时辰，可能玩过的一个游戏：叔叔每只手里都攥着一个彩球，一红一蓝。先让你看，看完把它们在背后夹杂。夹杂完再拿出来，让你猜每只手中球的颜色。从你的角度来看，这两个球就像发生了“纠缠”——若是他左手拿的是红球，那就意味着他右手拿的必心猿意马是蓝球；反之亦然。

但量子的环境更神秘，因为在叠加态中，每个“球”并没有确定的颜色。任何时刻，都能以同样的概率闪现红或蓝，并且是完全随机的。

你若是不雅察一个“量子球”，那么它的波函数坍缩，它将被迫选择一种确定的颜色闪现，好比说是红色。可是与此同时，远在宇宙边缘的另一个纠缠的“量子球”，它的波函数也立即坍缩，它也立即以一种确定的互补颜色闪现了，好比说是蓝色。问题是，我们对后者并未做任何直接的不雅测，没有对它发生任何感化呀。

如许一来，对一对量子纠缠的粒子中的一个进行操作（好比说不雅察），似乎立即就能影响到另一个粒子，不管它们相距多远。爱因斯坦感觉，这违反了他的相对论提出的“任何活动或感化力的传递都不克不及跨越光速”的道理，所以他给量子纠缠贴上了“鬼魂般的彼此感化”的标签。

量子纠缠是“量子隐态传输”的根本。所谓量子隐态传输，就是把甲地的一个粒子的状况刹时转移到乙地的另一个粒子上，如同某些科幻小说中描写的“超时空传输”。不外请注重，这里传输的不是粒子自己，而是粒子的状况，即传输的仅是信息。

量子理论的诠释

量子理论的上述思惟尽管很是神秘，也很诱人，但说真话，年夜大都物理学家并不出格关心，他们是适用本家儿义者，只关心最后的计较成果：理论怎么诠释就随他去吧，只要计较成果跟尝试相符就够了。

当然，也有一些比力有哲学气质的物理学家试图澄清这些问题，所以他们对量子理论做出各种诠释。这些诠释在本刊2017年11A期的《量子物理的巅峰对决》一文中已谈得很具体，这里只把本家儿要的几种诠释简单介绍一下。

哥本哈根学派的诠释——在我们测量之前，确定的实际是不存在的。只有我们在不雅察的那一刻，不雅察的行为导致波函数“塌缩”，一种确定的实际才呈现出来。

多宿世界诠释——每一次对量子的测量都将触发无数平行宇宙的降生，叠加态中的每一个可能性，别离都在每一个新生的宇宙中当作为了实际。你之所以不雅察到薛心猿意马谔猫还在世，仅仅因为这个“你”可巧跟那只活的猫处于统一个新生宇宙中罢了。

德布罗意的导波诠释——微不雅粒子的行为跟经典粒子差不多，只是你要把它们想象当作像冲浪者一样骑在所谓的导波上。粒子发生波，而波又指导粒子活动，如斯频频。

发表于 2018-06-19 00:00
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