你是否曾被量子物理里面那些稀奇古怪的思想搞得神經(jīng)錯亂?

首先，不要驚慌。神經(jīng)錯亂的不只你一個。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?！?/span>

然而，要描述這個世界，量子理論又是確實不可少的。

在這篇文章中，我們將把量子理論的思想一一分解，讓誰都能懂

經(jīng)過幾千年的爭論，我們現(xiàn)在終于知道了，物質追根究底是由像電子、夸克這樣的微觀粒子組成的。這些小家伙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(fā)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古怪(例如，粒子可以同時出現(xiàn)在兩個地方)，但它是目前物理學中最精確的理論，在過去近百年里經(jīng)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里的芯片，都是不可想象的。

量子理論很古怪，但它的正確性不容懷疑?？茖W家們所爭論的，僅僅是如何解釋它。

假如媽媽吩咐你：“把這罐辣醬放到廚房儲物柜里?！眱ξ锕袷欠謱拥?。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，你家的儲物柜是“量子化”的，只能分成離散的一層，兩層，三層……不可能再細分為0.6層，1.5層，2.8層，3.45層……

在量子的世界里，任何東西也都是量子化的。舉例來說，原子中的電子只能呆在一些離散的能量層里(稱為能級)。跟你家廚房的儲物柜一樣，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，你給的能量必須合適才行，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“量子足球”，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“量子足球”的力不多不少剛好能讓它掉到這條那條溝里的時候，它才會呼嘯而起，否則任你怎么踢，它也會待在原地不動。很奇怪吧?

還有另外一個類比。假如你駕駛著一輛“量子汽車”，你只能以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(fā)生的，你幾乎覺察不到加速的過程。這可以叫速度的“量子化”。

上述例子已經(jīng)讓你稍稍領略了量子世界的詭異。說實話，統(tǒng)治我們熟悉的“經(jīng)典”世界的規(guī)則在微觀世界基本上都失效了。只有少數(shù)幾個碩果僅存，像能量守恒、電荷守恒等等。

“經(jīng)典”是物理學家用于描述“日常感覺”的術語——當事物的表現(xiàn)不超出你日常經(jīng)驗的范圍，我們就說它是“經(jīng)典”的。

臺球就是一個經(jīng)典物體。在碰到另一個球或桌沿之前，它總是在球桌上沿著一條直線滾動，這完全符合我們的日常經(jīng)驗。但球里每一個單獨的原子的運動，卻遵循著量子力學的規(guī)律，比如說，它隨時都可以消失。

但這并不意味著，微觀和宏觀世界的規(guī)律完全“老死不相往來”。作為物理規(guī)律，量子規(guī)律無疑更基本，但是當很多粒子聚集在一起時，其整體行為就非常趨近于經(jīng)典物體的行為了，這時你就可以用經(jīng)典規(guī)律來描述。比如說，組成臺球的一個粒子，或許非?！叭涡浴?，但是數(shù)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(guī)中矩”。你要是有一臺超級計算機，把組成臺球的上億個原子考慮進去，然后完全按照量子力學來計算，你會發(fā)現(xiàn)，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聚集一起時，詭異的量子效應將會消失，其整體行為就會變得“經(jīng)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(jīng)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(guī)律和經(jīng)典規(guī)律雙管齊下。本來只要用量子規(guī)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(jīng)典物體來處理。

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幣的兩個面都朝上。

有些書上教你這樣去理解不確定性原理：例如，要想知道電子在哪里，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確，你最好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，不管你的探測多么小心，都會改變電子的動量。在經(jīng)典世界，觀察或測量對觀察對象的干擾可以忽略不計，但在微觀世界，干擾無論如何是不能忽略的。

這樣說當然也沒錯。不過，不確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，電子的狀態(tài)(包括它的位置、動量)，是各種可能狀態(tài)的疊加。它處于一種疊加態(tài)。疊加態(tài)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，它才被迫選擇一種確定的狀態(tài)呈現(xiàn)出來。

好比一枚“量子硬幣”，當它落下之前，它的狀態(tài)是“正面朝上”和“背面朝上”兩種狀態(tài)的疊加。僅當它落到地面靜止下來，它才被迫選擇停留在兩種狀態(tài)中的一種。

量子物體(如光子和電子)具有分裂的個性——有時它們的行為像波，有時又像粒子。它們的表現(xiàn)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，粒子的運動是有軌跡的，而波的特點是在整個空間彌漫，沒有確定的軌跡。當你把量子物體當作粒子看待(如用粒子探測器探測它)，想知道它的運動軌跡，好，那它就表現(xiàn)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，如干涉、衍射等，好，它就表現(xiàn)出波的特性。

在量子力學中有一個著名的雙狹縫實驗。它之所以著名，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。

假如你在一個水池里設置一個有兩條豎直狹縫的屏障，然后用手指蘸一下水產(chǎn)生水波，水波會穿過兩條狹縫。穿過兩狹縫的水波會在屏障后面互相干涉，形成一個干涉圖案。

如果你把屏障從水里拿出，朝狹縫發(fā)射一堆子彈，它們就會直接穿過這條或那條狹縫，在屏障后留下兩條分明的彈痕，而不會產(chǎn)生干涉圖案。

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

假如你朝狹縫發(fā)射電子，甚至像發(fā)射子彈一樣控制好，一次發(fā)射一個，起初屏障后面開始形成兩條明顯的“彈痕”，說明電子表現(xiàn)得像粒子;但隨著你發(fā)射的電子漸多，彈痕也漸漸模糊起來，最后竟然在屏幕上顯示出明暗相間的干涉圖案，這時它又表現(xiàn)得像波了。倒好像每個電子同時穿過了兩條狹縫，并與自身干涉。

按照不確定性原理，可以這樣解釋：因為電子是一個量子物體，我們不能確切地知道它的位置。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(jīng)歷了兩個過程。換句話說，確實是每個電子同時穿過了兩條狹縫，并與自身干涉。

現(xiàn)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(fā)出明亮的閃爍，你高興地歡呼：“你這個鬼家伙，終于被我逮著了!你剛才走的是這條縫，現(xiàn)在走的是那條縫?！钡?，等你把頭探到屏障后面，就會發(fā)現(xiàn)大事不妙：干涉圖案竟然消失不見了，只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后，它不就再處于疊加態(tài)，所以只能選擇一條路徑，通過一條狹縫。電子的波動行為消失了，表現(xiàn)得完全像粒子。

如果你對上述解釋還感到頭疼，那么請想一想這個事實，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。

這是一種用來描述波-粒子的數(shù)學。

至關重要的是，一個量子波函數(shù)可以包含有許多種可能的解，每一個解都對應著一種可能的現(xiàn)實，波函數(shù)則是這許多種可能的解按一定概率的疊加。譬如，一個“量子硬幣”的波函數(shù)包含“正面朝上”和“背面朝上”兩種解，每一種解都對應一種現(xiàn)實，實現(xiàn)的概率各為50%。

令人驚訝的是，疊加態(tài)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(jīng)看到了，當電子同時經(jīng)歷了兩個可能的軌跡，既穿過這條縫，也穿過另一條縫時，就會產(chǎn)生干涉。我們的觀察或者測量，似乎對波函數(shù)起著一種神秘但又至關重要的作用，即造成波函數(shù)的坍縮，迫使原先處于各種可能的疊加態(tài)做出非此即彼的選擇。好像我們對自然說：“喂，別再跟我含糊其辭，必須給我一個明確的答復?！庇谑亲匀恢缓猛掏掏峦伦龀觥笆桥c否”，“此與彼”的答復。

觀察為什么能迫使波函數(shù)坍縮呢?這是誰也解釋不了的機制，所以很神秘。

測量導致的波函數(shù)坍縮，疊加態(tài)崩潰，是不可逆的，不可恢復的。這正是量子通信的基礎。量子通信優(yōu)于傳統(tǒng)通信的最大亮點是保密性好。為什么它能做到這一點呢?因為信息的載體(比如光子)被竊聽者截獲之后，他為了得到信息，不能不對它進行測量，但測量之后，光子的狀態(tài)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竊聽，但竊聽者很容易暴露自己。

想象一只貓和一小瓶氰化物被放置在一個密閉的盒子里。瓶子上方有一把用電子開關控制著的錘子。如果開關被隨機發(fā)生的量子事件(例如鈾原子的衰變)觸發(fā)，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諤設想的思想實驗，是用來說明疊加態(tài)的概念的。

鈾原子的衰變遵循量子規(guī)律，所以它的波函數(shù)有兩個解：衰變或不衰變。根據(jù)量子理論，在進行測量之前，這兩種可能性都是存在的。事實上你可以認為，在測量之前，鈾原子同時衰變又不衰變，處于兩者的疊加態(tài)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態(tài)時，貓也將處于一種活和死的疊加態(tài)。即是說，在我們打開箱子觀察之前，這只貓?zhí)幱诩人烙只畹臓顟B(tài)。

疊加態(tài)是量子計算機的基礎。傳統(tǒng)的計算機只對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1兩種狀態(tài)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(tǒng)計算機的運行速度不可同日而語的原因。

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，可能玩過的一個游戲：叔叔每只手里都攥著一個彩球，一紅一藍。先讓你看，看完把它們在背后混合?；旌贤暝倌贸鰜?，讓你猜每只手中球的顏色。從你的角度來看，這兩個球就像發(fā)生了“糾纏”——如果他左手拿的是紅球，那就意味著他右手拿的必定是藍球;反之亦然。

但量子的情況更神秘，因為在疊加態(tài)中，每個“球”并沒有確定的顏色。任何時刻，都能以同樣的概率顯現(xiàn)紅或藍，而且是完全隨機的。

你如果觀察一個“量子球”，那么它的波函數(shù)坍縮，它將被迫選擇一種確定的顏色顯現(xiàn)，比如說是紅色?？墒桥c此同時，遠在宇宙邊緣的另一個糾纏的“量子球”，它的波函數(shù)也立刻坍縮，它也立刻以一種確定的互補顏色顯現(xiàn)了，比如說是藍色。問題是，我們對后者并未做任何直接的觀測，沒有對它產(chǎn)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”的標簽。

量子糾纏是“量子隱態(tài)傳輸”的基礎。所謂量子隱態(tài)傳輸，就是把甲地的一個粒子的狀態(tài)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，這里傳輸?shù)牟皇橇Ｗ颖旧?，而是粒子的狀態(tài)，即傳輸?shù)膬H是信息。

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(shù)物理學家并不特別關心，他們是實用主義者，只關心最后的計算結果：理論怎么解釋就隨他去吧，只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2017年11A期的《量子物理的巔峰對決》一文中已談得很詳細，這里只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，確定的現(xiàn)實是不存在的。只有我們在觀察的那一刻，觀察的行為導致波函數(shù)“塌縮”，一種確定的現(xiàn)實才呈現(xiàn)出來。

多世界解釋——每一次對量子的測量都將觸發(fā)無數(shù)平行宇宙的誕生，疊加態(tài)中的每一個可能性，分別都在每一個新生的宇宙中成為了現(xiàn)實。你之所以觀察到薛定諤貓還活著，僅僅因為這個“你”碰巧跟那只活的貓?zhí)幱谕粋€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(jīng)典粒子差不多，只是你要把它們想象成像沖浪者一樣騎在所謂的導波上。粒子產(chǎn)生波，而波又引導粒子運動，如此反復。