最容易理解的量子理論

你是否曾被量子物理裡面那些稀奇***的思想搞得神經錯亂？

首先，不要驚慌。神經錯亂的不隻你一個。正如具有傳奇色彩的美國物理學家理查德﹒費曼所說：“我可以大膽地說，沒有人懂量子理論。”

然而，要描述這個世界，量子理論又是确實不可少的。

在這篇文章中，我們将把量子理論的思想一一分解，讓誰都能懂

1、什麼是量子理論？

經過幾千年的争論，我們現在終于知道了，物質追根究底是由像電子、誇克這樣的微觀粒子組成的。這些小家夥像樂高積木一樣組合在一起，形成了原子和分子，而原子和分子又是拼成宏觀世界的“樂高積木”。

為了描述微觀世界是如何運作的，科學家發展出一套叫量子力學的理論。這個理論做出的預言雖然非常***（例如，粒子可以同時出現在兩個地方），但它是目前物理學中最精确的理論，在過去近百年裡經受住了嚴格的檢驗。沒有量子理論，我們周圍的許多技術，包括電腦和智能手機裡的芯片，都是不可想象的。

量子理論很***，但它的正确性不容懷疑。科學家們所争論的，僅僅是如何解釋它。

2、“量子”到底是啥意思？

假如媽媽吩咐你：“把這罐辣醬放到廚房儲物櫃裡。”儲物櫃是分層的。你可以選擇放在這一層或那一層，但你總不能把辣醬放在相鄰兩層之間，譬如2.5層吧。因為那是沒有意義的。

用物理學上的術語說，你家的儲物櫃是“量子化”的，隻能分成離散的一層，兩層，三層……不可能再細分為0.6層，1.5層，2.8層，3.45層……

在量子的世界裡，任何東西也都是量子化的。舉例來說，原子中的電子隻能呆在一些離散的能量層裡（稱為能級）。跟你家廚房的儲物櫃一樣，兩個相鄰的能級之間，是沒有它的立足之地的。

但是量子的行為十分詭異。假如你給待在較低層的電子一個能量，它就會跳到更高的層。這叫量子躍遷。不過，你給的能量必須合适才行，即剛好等于兩層之間的能量差，否則它會“耍脾氣”拒收。

設想你腳下有一個“量子***”，在你10米之外有一些由近及遠的溝，它們相當于一條條能級。一般人會想，用的力太小，固然球飛不起來，但用的力很大，讓球飛起來總沒問題吧？但事實上不是。僅當你踢“量子***”的力不多不少剛好能讓它掉到這條那條溝裡的時候，它才會呼嘯而起，否則任你怎麼踢，它也會待在原地不動。很奇怪吧？

還有另外一個類比。假如你駕駛着一輛“量子汽車”，你隻能以5千米/時、20千米/時或80千米/時的速度行駛，在它們之間的速度是不允許的。換擋的時候，你突然就從5千米/時跳到了20千米/時。速度的變化是瞬間發生的，你幾乎覺察不到加速的過程。這可以叫速度的“量子化”。

3、量子力學VS經典力學

上述例子已經讓你稍稍領略了量子世界的詭異。說實話，***我們熟悉的“經典”世界的規則在微觀世界基本上都失效了。隻有少數幾個碩果僅存，像能量守恒、電荷守恒等等。

“經典”是物理學家用于描述“日常感覺”的術語——當事物的表現不超出你日常經驗的範圍，我們就說它是“經典”的。

台球就是一個經典物體。在碰到另一個球或桌沿之前，它總是在球桌上沿着一條直線滾動，這完全符合我們的日常經驗。但球裡每一個單獨的原子的運動，卻遵循着量子力學的規律，比如說，它随時都可以消失。

但這并不意味着，微觀和宏觀世界的規律完全“老死不相往來”。作為物理規律，量子規律無疑更基本，但是當很多粒子***在一起時，其整體行為就非常趨近于經典物體的行為了，這時你就可以用經典規律來描述。比如說，組成台球的一個粒子，或許非常“任性”，但是數以億計的粒子聚在一起時，彼此的“任性”相互抵消，整體行為就越來越“中規中矩”。你要是有一台超級計算機，把組成台球的上億個原子考慮進去，然後完全按照量子力學來計算，你會發現，這上億個原子的整體運動跟直接用牛頓力學來描述是一樣的。

這叫對應原理。就是說大量微觀粒子***一起時，詭異的量子效應将會消失，其整體行為就會變得“經典”。這條原理在某些情況下很有用。比如一些大分子團，要說它是經典物體呢，似乎太小了；要說它是量子物體呢，似乎又太大了。這時候，我們就可以量子規律和經典規律雙管齊下。本來隻要用量子規律即可，但計算量太大了。既然存在對應原理，我們就可以把一部分計算簡化成經典物體來處理。

4、海森堡不确定性原理

在量子物理學中，某些東西從嚴格意義上說是不可知的。例如，你永遠不可能同時知道電子的位置和動量，正如你永遠不可能讓硬币的兩個面都朝上。

有些書上教你這樣去理解不确定性原理：例如，要想知道電子在哪裡，你須得用某種東西（例如光子）探測它。但光是一種波，它的分辨率決定于它的波長，波長越短分辨率越高。所以為了把電子的位置測量得更準确，你***是選用波長越短的光。但光又是一種粒子，其能量與波長成反比，波長越短能量越高。光子能量越大，對電子的碰撞也越大。這樣一來，不管你的探測多麼小心，都會改變電子的動量。在經典世界，觀察或測量對觀察對象的幹擾可以忽略不計，但在微觀世界，幹擾無論如何是不能忽略的。

這樣說當然也沒錯。不過，不确定性原理事實上比上述這樣的理解更深刻。它說的是，自然界有一種天生的模糊性。在測量之前，電子的狀态（包括它的位置、動量），是各種可能狀态的疊加。它處于一種疊加态。疊加态具有天然的“模棱兩可性”：既可能是這樣，又可能是那樣，或者說幾種可能性同時并存。僅當測量時，它才***選擇一種确定的狀态呈現出來。

好比一枚“量子硬币”，當它落下之前，它的狀态是“正面朝上”和“背面朝上”兩種狀态的疊加。僅當它落到地面靜止下來，它才***選擇停留在兩種狀态中的一種。

5、波粒二象性

量子物體（如光子和電子）具有***的個性——有時它們的行為像波，有時又像粒子。它們的表現取決于你設計實驗時，是以波還是粒子來看待它們。

例如，我們知道，粒子的運動是有軌迹的，而波的特點是在整個空間彌漫，沒有确定的軌迹。當你把量子物體當作粒子看待（如用粒子探測器探測它），想知道它的運動軌迹，好，那它就表現得像個粒子。假如你在設計實驗的時候，想看看它的波的特性，如幹涉、衍射等，好，它就表現出波的特性。

在量子力學中有一個***的雙狹縫實驗。它之所以***，是因為展示了量子的許多奇怪特征。下面我們就以它為例子來談談。

假如你在一個水池裡設置一個有兩條豎直狹縫的屏障，然後用手指蘸一下水産生水波，水波會穿過兩條狹縫。穿過兩狹縫的水波會在屏障後面互相幹涉，形成一個幹涉圖案。

如果你把屏障從水裡拿出，朝狹縫發射一堆***，它們就會直接穿過這條或那條狹縫，在屏障後留下兩條分明的彈痕，而不會産生幹涉圖案。

這是經典的波和粒子在雙狹縫實驗中的表現。但詭異的是，微觀粒子譬如電子，可以同時表現出兩者。

假如你朝狹縫發射電子，甚***像發射***一樣控制好，一次發射一個，起初屏障後面開始形成兩條明顯的“彈痕”，說明電子表現得像粒子；但随着你發射的電子漸多，彈痕也漸漸模糊起來，***竟然在屏幕上顯示出明暗相間的幹涉圖案，這時它又表現得像波了。倒好像每個電子同時穿過了兩條狹縫，并與自身幹涉。

按照不确定性原理，可以這樣解釋：因為電子是一個量子物體，我們不能确切地知道它的位置。電子有機會穿過一條狹縫，也有機會穿過另一條狹縫——因為兩者都是可能的，所以它實際上同時經曆了兩個過程。換句話說，确實是每個電子同時穿過了兩條狹縫，并與自身幹涉。

現在，更詭異的事情來了。假如你在兩狹縫邊上各放置一個粒子探測器，來觀察電子到底穿過了哪條狹縫。你的意圖可以得逞，比如電子擊中探測器的探頭，不斷發出明亮的閃爍，你高興地歡呼：“你這個鬼家夥，終于被我逮着了！你剛才走的是這條縫，現在走的是那條縫。”但是，等你把頭探到屏障後面，就會發現大事不妙：幹涉圖案竟然消失不見了，隻留下像彈痕一樣的兩條直截分明的狹縫投影。

按前面的解釋，這是因為你知道了電子穿過哪個狹縫之後，它不就再處于疊加态，所以隻能選擇一條路徑，通過一條狹縫。電子的波動行為消失了，表現得完全像粒子。

如果你對上述解釋還感到頭疼，那麼請想一想這個事實，或許多少受些安慰：物理學家其實也不太能接受這樣的解釋，他們一直都在為這個明顯的悖論想破腦殼。

6、波函數:（這是一種用來描述波-粒子的數學）

***關重要的是，一個量子波函數可以包含有許多種可能的解，每一個解都對應着一種可能的現實，波函數則是這許多種可能的解按一定概率的疊加。譬如，一個“量子硬币”的波函數包含“正面朝上”和“背面朝上”兩種解，每一種解都對應一種現實，實現的概率各為50%。

驚訝的是，疊加态中不同的解似乎還相互作用。這一點，在前面的雙縫實驗中我們其實已經看到了，當電子同時經曆了兩個可能的軌迹，既穿過這條縫，也穿過另一條縫時，就會産生幹涉。我們的觀察或者測量，似乎對波函數起着一種神秘但又***關重要的作用，即造成波函數的坍縮，迫使原先處于各種可能的疊加态做出非此即彼的選擇。好像我們對自然說：“喂，别再跟我含糊其辭，必須給我一個明确的答複。”于是自然隻好吞吞吐吐做出“是與否”，“此與彼”的答複。

觀察為什麼能迫使波函數坍縮呢？這是誰也解釋不了的機制，所以很神秘。

測量導緻的波函數坍縮，疊加态崩潰，是不可逆的，不可恢複的。這正是量子通信的基礎。量子通信優于傳統通信的***亮點是保密性好。為什麼它能做到這一點呢？因為信息的載體（比如光子）被***者截獲之後，他為了得到信息，不能不對它進行測量，但測量之後，光子的狀态就改變了，這樣就很容易被通信的雙方察覺。所以量子通信雖然沒辦法阻止被人***，但***者很容易暴露自己。

6、疊加态和薛定谔的貓

想象一隻貓和***瓶氰化物被放置在一個密閉的盒子裡。瓶子上方有一把用電子開關控制着的錘子。如果開關被随機發生的量子事件（例如鈾原子的衰變）觸發，錘子就會砸下來，把盛有氰化物的瓶子砸碎，貓就會一命嗚呼。

這個由奧地利物理學家薛定谔設想的思想實驗，是用來說明疊加态的概念的。

鈾原子的衰變遵循量子規律，所以它的波函數有兩個解：衰變或不衰變。根據量子理論，在進行測量之前，這兩種可能性都是存在的。事實***可以認為，在測量之前，鈾原子同時衰變又不衰變，處于兩者的疊加态之中。

因為貓的命運維系于鈾原子的衰變情況，所以你不得不承認，當鈾原子處于衰變和不衰變的疊加态時，貓也将處于一種活和死的疊加态。即是說，在我們打開箱子觀察之前，這隻貓處于既死又活的狀态。

疊加态是量子計算機的基礎。傳統的計算機隻對0和1操作。1比特的信息，就是0或1。但是量子計算機直接對1量子比特進行操作，而1量子比特是0和1兩種狀态的任意疊加，這種疊加形式幾乎是無限的。這正是量子計算機與傳統計算機的運行速度不可同日而語的原因。

7、什麼是量子糾纏？

量子糾纏是指當兩個粒子（例如光子）密切相關時，對一個粒子的測量立即就會影響到另一個粒子，不管兩者相距有多遠，哪怕一個在地球上，一個在宇宙的邊緣。

這有點像你還是個孩子的時候，可能玩過的一個遊戲：叔叔每隻手裡都攥着一個彩球，一紅一藍。先讓你看，看完把它們在背後混合。混合完再拿出來，讓你猜每隻手中球的顔色。從你的角度來看，這兩個球就像發生了“糾纏”——如果他左手拿的是紅球，那就意味着他右手拿的必定是藍球；反之亦然。

但量子的情況更神秘，因為在疊加态中，每個“球”并沒有确定的顔色。任何時刻，都能以同樣的概率顯現紅或藍，而且是完全随機的。

你如果觀察一個“量子球”，那麼它的波函數坍縮，它将***選擇一種确定的顔色顯現，比如說是紅色。可是與此同時，遠在宇宙邊緣的另一個糾纏的“量子球”，它的波函數也立刻坍縮，它也立刻以一種确定的互補顔色顯現了，比如說是藍色。問題是，我們對後者并未做任何直接的觀測，沒有對它産生任何作用呀。

這樣一來，對一對量子糾纏的粒子中的一個進行操作（比如說觀察），似乎立刻就能影響到另一個粒子，不管它們相距多遠。愛因斯坦覺得，這違反了他的相對論提出的“任何運動或作用力的傳遞都不能超過光速”的原理，所以他給量子糾纏貼上了“幽靈般的相互作用”的标簽。

量子糾纏是“量子隐态傳輸”的基礎。所謂量子隐态傳輸，就是把甲地的一個粒子的狀态瞬間轉移到乙地的另一個粒子上，如同某些科幻小說中描寫的“超時空傳輸”。不過請注意，這裡傳輸的不是粒子本身，而是粒子的狀态，即傳輸的僅是信息。

8、量子理論的解釋

量子理論的上述思想盡管非常神秘，也很誘人，但說實話，大多數物理學家并不特别關心，他們是實用***者，隻關心***的計算結果：理論怎麼解釋就随他去吧，隻要計算結果跟實驗相符就夠了。

當然，也有一些比較有哲學氣質的物理學家試圖澄清這些問題，所以他們對量子理論做出種種解釋。這些解釋在本刊20***11A期的《量子物理的***對決》一文中已談得很詳細，這裡隻把主要的幾種解釋簡單介紹一下。

哥本哈根學派的解釋——在我們測量之前，确定的現實是不存在的。隻有我們在觀察的那一刻，觀察的行為導緻波函數“塌縮”，一種确定的現實才呈現出來。

多世界解釋——每一次對量子的測量都将觸發無數平行宇宙的誕生，疊加态中的每一個可能性，分别都在每一個新生的宇宙中成為了現實。你之所以觀察到薛定谔貓還活着，僅僅因為這個“你”碰巧跟那隻活的貓處于同一個新生宇宙中而已。

德布羅意的導波解釋——微觀粒子的行為跟經典粒子差不多，隻是你要把它們想象成像沖浪者一樣騎在所謂的導波上。粒子産生波，而波又引導粒子運動，如此反複。