说说微观量子世界的基本概念

□陈思进

在《大众科学时报》上发表了几篇试图澄清量子力学一些误解的文章后，一些网民在我的博客下留言，询问是否有可能从一开始就谈论量子。我们能用更简单和更简洁的词语来解释什么是叠加态和量子纠缠吗？

从网民的评论中不难看出，量子力学虽然已经建立了100多年，但它是20世纪以来与相对论联系在一起的最伟大的科学成就。量子力学改变了人类的生活方式。例如，最近热门词汇“芯片”的科学基础是量子力学，但其最基本的概念却鲜为人知。绝大多数人对物理学的理解仍然停留在牛顿的经典力学中。

我最初对量子力学感兴趣，并开始关注和进一步研究它。当阅读经典科幻小说《银河系漫游指南》时，宇宙飞船“黄金之心”可以利用量子力学中的量子纠缠立即到达宇宙中的任何地方，“因为它里面的驱动程序可以使组成宇宙飞船的原子与宇宙中任何角落的原子纠缠在一起，并且通过控制概率，出现的概率可以调整到99.99%，从而使宇宙飞船能够航行到任何遥远的地方。”

由此，人们逐渐明白，牛顿的经典力学世界观只能解释宏观经典世界，而不能解释微观世界——量子力学就是由此诞生的。(注:量子力学的起源和发展，曹天元的《天意何在:量子物理学的历史话语》推荐给大家，这篇文章篇幅有限，所以不清楚。

以下是量子力学中一些最基本的概念:

首先，让我们看看什么是量子。

量子是能量的最小单位，最初称为能量光子，所有能量必须是这个最小单位的整数倍。这不同于经典力学中的能量，在经典力学中，能量是连续的。在微观量子世界中，能量是不连续的。现在所有与量子力学相关的东西都可以称为量子。例如，微观世界中的所有粒子，如原子、原子核和电子都是量子。基本粒子没有大小和体积。微观世界是建立在量子基础上的，它们的定律无法用牛顿的经典力学来解释。

其次，微观量子世界中的所有粒子都具有波粒二象性。

在量子世界中，首先“颠覆”牛顿经典力学的是波粒二象性，它打破了“波”和“粒子”的界限，即微观粒子同时表现出的波粒二象性。

人们不能观察宏观经典世界(日常生活)中物体的波动的原因是它们的质量太“大”。

然而，在量子世界中，基本粒子的质量和大小是如此之小，以至于即使是包括爱因斯坦在内的世界顶尖物理学家也无法理解某些实验的结果。例如，著名的光学实验，双缝实验，花了一个世纪才理解波粒二象性是微观粒子的基本性质之一，而直接导出的微观粒子总是处于“这个和那个”的叠加状态。

量子叠加态

在经典力学中，最重要的特征是确定性，而在量子力学中，最重要的特征是不确定性。例如，如果一个原子不被测量，它的中心电子核心的能量就不能被确定，电子的位置和速度也不能被确定。一旦被测量，它就可以被确定。

著名的“薛定谔猫”试图用日常宏观经典世界中的情形来描述微观量子世界中的量子叠加态。在这个著名的思想实验中，由于量子的随机性，猫在观察盒子内部之前处于存在和死亡的叠加状态。

让我试着把它和一个更明显的现实相比较:假设在量子世界中有一个条，在这个量子条中，假设每个粒子是一个人。有一天你进去了。让我问你，你在酒吧的哪里？你回答说，我不知道。让我再问你一次，你什么时候离开？你回答，我不知道。但是你瞬间就离开了量子酒吧。在这个量子条中，作为一个粒子，你处于一个叠加态，所以除非你被观察到，否则不可能知道你在哪里，什么时候离开...

上面的描述显然违背了大多数人在日常宏观世界中都能获得的常识。然而，这是量子世界的客观现实。

量子力学中的不确定性原理(也称为“不确定性原理”):粒子的位置和动量不能同时确定。位置的不确定性越小，动量的不确定性就越大，反之亦然。

因此，从表面上看，微观世界不同于我们生活的宏观世界。宏观世界是确定的，而量子世界是概率的(上帝掷骰子)和不确定的。这是量子世界的物理定律。就像我们的宏观世界一样，它是真实的。为什么我们不能观察量子世界的现象，比如日常生活中物体的涨落和叠加？这是因为任何可见物体的质量都太大，而且它的不确定性很小，可以完全忽略。

简而言之，在“颠覆”牛顿经典力学的量子力学中，微观粒子具有波粒二象性，也就是说，构成宏观世界物质的基本粒子既可以是波也可以是粒子。观察到的粒子和不观察到的波。因此，科学家称量子世界为“掷骰子、概率和不确定的世界”

接下来，我们将详细讨论微观量子世界的另一个重要特征:量子纠缠。

(作者是加拿大一个国际财团的风险管理高级顾问和科幻作家)