关于量子力学，我们应该了解什么？

　　光子盒研究院出品
　　在传统的薛定谔猫实验中，你不知道是否发生了量子衰变的结果，导致猫死亡。在盒子里，猫要么活着要么死了，这取决于放射性粒子是否衰变。如果猫是一个真正的量子系统，那么猫既不是活着也不是死了，而是处于两种状态的叠加状态，直到被观察到。但是，你永远无法观察到猫同时是死的和活的。
　　要点：
　　物理法则总是应用于宇宙中的每一个物体，但在量子尺度中，行为并非直观感受。
　　在基础量子层面，一切事物都是波和粒子，结果只能用概率来预测。
　　尽管如此，它仍然是有史以来最成功、最强大的描述现实的框架，存在的一切都遵循这个规则。
　　在所有科学中，最有力的想法是：宇宙虽然复杂，但可以简化为最简单、最基本的组成部分。如果你能确定支配你的基本规则、定律和理论，那么只要你能在任何时刻指定你的系统是什么样的，你就可以利用你对这些定律的理解来预测事情会是什么样子，无论是在遥远的未来还是遥远的过去。
　　解开宇宙秘密的探索从根本上来说是为了迎接这一挑战：弄清楚宇宙的组成部分，确定这些实体如何相互作用和进化，然后写下并解决你预测自己尚未测量的结果的方程。
　　假设你以前听说过量子物理学，但是现在还不太清楚它是什么。这里有一种方法，至少每个人都可以在极大的范围内了解我们的量子现实。
　　用光进行的双缝实验会产生干涉图案，就像对任何波一样。不同光色的特性是由于它们的波长不同。来源：Technical Services Group/MIT
　　在量子力学出现之前，我们对宇宙的工作方式有一系列假设。我们假设存在的一切都是由物质构成的，并且在某个时候，你会发现一个无法进一步分割的物质的基本组成部分。事实上，＂原子＂这个词来自希腊语ἄτομος，字面意思是＂不可切割＂，或者我们通常认为的不可分割的。这些不可切割的基本物质成分都相互施加力，如引力或电磁力，这些不可分割粒子相互推拉的汇合点即是我们物理现实的核心。
　　然而，万有引力定律和电磁定律是完全确定的。如果你描述一个质量或电荷系统，并在任何时候指定他们的位置和运动的时间，这些定律将允许你计算任意精度，即每个粒子在其他任何时刻的位置、运动和分布情况。从行星运动到弹跳球再到尘埃颗粒的沉降，宇宙的相同规则、定律和基本成分准确地描述了这一切。
　　直到我们发现宇宙中还有比这些传统定律更多的东西。
　　该图说明了位置和动量之间固有的不确定性关系。当一个粒子被更准确地知道时，另一个就不太可能被准确地知道。来源：Maschen/维基共享资源
　　1）你不可能一次性准确的知道所有事物。 如果说有一个定义特征将量子物理学的规则与经典物理学的规则区分开来，那就是：你不能以任意精度测量某些量，而且你测量得越精确，其他相应的特性就越具有内在不确定性。
　　以非常高的精度测量一个粒子的位置，它的动量就变得不那么为人所知了。
　　测量一个粒子在一个方向上的角动量（或自旋），会破坏关于它在其他两个方向上的角动量（或自旋）的信息
　　测量一个不稳定粒子的寿命，它的寿命越短，粒子静止质量的内在不确定性就越大。
　　这些只是量子物理学特殊的几个例子，但它们足以说明不可能同时知道你能想象到的关于这个系统的一切。自然从根本上限制了对任何物理系统内容同时了解的可能，而且你越准确地尝试确定一大组特性中的任何一个，另一组相关特性的内在不确定性就越大。
　　当到达顶部的一半时，上图中峰的固有宽度或一半宽度被测量为2.5 GeV：固有不确定度约为总质量的+/-3%。所讨论的玻色子Z的质量峰值为91.187 GeV，但该质量本质上存在很大的不确定性。来源：J. Schieck for ATLAS Collaboration，JINST7，2012
　　2） 只能计算结果的概率分布：不是明确的、清楚的、单一的预测。 不仅不可能同时知道定义物理系统的所有属，而且量子力学定律本身从根本上是不确定的。在经典宇宙中，如果你把一块鹅卵石从墙上的窄缝里扔出去，你可以预测它何时何地会落到另一边的地面上。但在量子宇宙中，如果你用量子粒子做同样的实验，无论是光子、电子，还是更复杂的东西，你都只能描述可能发生的一组结果。
　　量子物理可以让你预测每一个结果的相对概率，它可以让你对你的计算能力可以处理的尽可能复杂的量子系统中做到这一点。尽管如此，你可以在某个时间点设置你的系统，了解所有可能知道的信息，那么，精确预测该系统在未来某个任意时刻将如何演化，在量子力学中已不再适用。你可以描述所有可能结果的可能性，但对于任何单个粒子，只有一种方法可以确定其在特定时间点的特性：通过测量它们。
　　光电效应详细说明了电子是如何被光子电离的，它根据单个光子的波长，而不是光的强度或任何其他特性。超过入射光子的特定波长阈值，不管强度如何，电子都会被激发出来。低于这个阈值，即使你将光的强度调高，也不会激发任何电子。每个光子中的电子和能量都是离散的。来源：WolfManKurd/维基共享资源
　　3） 在量子力学中，很多事情是离散的，而不是连续的 。这得到了许多人认为的量子力学的核心：事物的＂量子＂部分。如果你问量子物理学中的＂多少＂问题，你会发现数量都是特定的。
　　粒子只能以某些电荷为单位：以电子电荷的三分之一为增量。
　　结合在一起的粒子形成束缚态——如原子——而原子只能有明确的能级集。
　　光由单个粒子、光子组成，每个光子只具有特定的、有限的固有能量。
　　在所有这些情况下，都有一些与最低(非零)状态相关的基本值，然后所有其他状态只能以该最低值状态的某种整数(或小数整数)的倍数存在。从原子核的激发态到电子落入LED器件的＂空穴＂时释放的能量，再到支配原子钟的跃迁，现实的某些方面确实是离散的，无法用从一种状态到另一种状态的连续变化来描述。
　　让粒子通过单缝(L)或双缝(R)的经典期望。如果你向一个有一个或两个狭缝的屏障发射宏观物体（如鹅卵石），这就是你可以预期观察到的模式。来源：InductiveLoad/维基共享
　　4） 量子系统同时表现出波状和粒子状的行为。 你得到的是哪个取决于你是否或者如何测量系统。这方面最著名的例子就是双缝实验：让单个量子粒子一次一个地通过两个间隔很近的狭缝。现在，事情开始变得奇怪了。
　　如果你不测量哪个粒子穿过哪个狭缝，你在狭缝后面的屏幕上观察到的图案将显示干涉，每个粒子似乎在过程中干涉自己。许多此类粒子所揭示的图案都显示出干涉，这是一种纯粹的量子现象。
　　如果你测量每个粒子通过哪个狭缝——粒子1通过狭缝2，粒子2通过狭缝2，粒子3通过狭缝1等，不再有干涉图案。事实上，你只是得到了两个粒子＂块＂，一个对应于穿过每个狭缝的粒子。
　　几乎所有的东西都表现出波的行为，其概率分布在空间和时间中，除非相互作用迫使它成为粒子。但根据你做的实验以及你怎么做的实验，量子系统会表现出波状和粒子状的特性。
　　电子具有波的特性和粒子的特性，并且可以像光一样用来构造图像或探测粒子大小。在这里，你可以看到一个实验的结果，电子通过双缝一次性发射一个。一旦发射了足够多的电子，就可以清楚地看到干涉图案。来源：Thierry Dugnolle/Public Domain
　　5） 测量量子系统的行为从根本上改变了该系统的结果。 根据量子力学规则，量子物体可以同时以多个状态存在。如果你有一个电子通过双缝，该电子的一部分必须同时通过两个缝，才能产生干涉图案。如果你在固体的导带中有一个电子，其能级是量子化的，但它可能的位置却是连续的。同样的情况，对于原子中的电子：我们可以知道它的能级，但问＂电子在哪里＂只能是概率性的回答。
　　所以你有了一个想法。你说，＂好吧，我会以某种方式引起量子相互作用，要么通过它与另一个量子碰撞，要么通过磁场或类似的东西，＂现在你有了测量结果。你知道电子在碰撞那一刻的位置，但更重要的是：通过进行测量，现在已经改变了系统的结果。你已经确定了物体的位置，你已经给它增加了能量，这就导致动量发生变化。 测量不只是＂确定＂一个量子状态，而是在系统本身的量子状态中产生不可逆的变化。
　　通过从预先存在的系统中创建两个纠缠光子并将它们隔开很远的距离，我们可以通过测量另一个的状态来＂传送＂其中一个状态的信息，即使是在非常不同的位置。既需要局部性又需要实在性的量子物理学解释不能诠释无数的观察结果，但多种解释似乎都同样好。来源：Melissa Meister/ThorLabs
　　6） 纠缠可以被测量，但叠加不能。 下面是量子宇宙的一个令人费解的特征：你可以有一个系统同时处于一个或多个以上的状态。薛定谔的猫可以同时活和死；两个水波在你的位置碰撞，可能导致你上升或下降；一个量子比特信息不仅仅是0或1，而是可以同时是某个百分比的＂0＂和某个百分比的＂1＂。然而，没有办法测量叠加；当进行测量时，每次测量只能得到一个状态。打开盒子：猫是死的。观察水中的物体：它会上升或下降。测量你的量子比特：得到0或1，而不是两者都得到。
　　但是叠加是不同的效应或粒子或量子态相互叠加，纠缠是不同的：它是同一系统中两个或更多不同部分之间的关联。纠缠可以延伸到另一个光锥内部和外部的区域，基本上说明了两个不同粒子之间的特性是相关的。如果我有两个纠缠光子，我想猜测每个光子的＂自旋＂，我有50:50的几率。但如果我测量一个光子的旋转，我就会知道另一个光子的旋转，更像是75:25的比率，比50:50要好得多。没有任何信息的交换速度比光速更快，但在一组测量中击败50/50的几率是证明量子纠缠是真实的并影响宇宙信息内容的可靠方式。
　　镥-177的能级差异。注意只有特定的、离散的能级是可以接受的。在这些连续带内，可以知道电子的状态，但不能知道它们的位置。来源：M.S. Litz and G. Merkel Army Research Laboratory, SEDD, DEPG
　　7） 有许多方法可以＂解释＂量子物理学，但我们的解释不是现实。 这是整个努力过程中最棘手的部分。能够写出描述宇宙的方程并与实验相符是一回事。以独立于测量的方式准确地描述正在发生的事情是另一回事。
　　物理学的核心是关于你可以在这个宇宙中预测、观察和测量的东西。然而，当你进行测量时，发生了什么？这对现实意味着什么？
　　一系列量子波函数在进行测量时瞬间＂坍缩＂?
　　一个量子波的无限集合，测量＂选择＂集合对象之一？
　　向前移动和向后移动的电势叠加在一起，以某种＂量子握手＂的方式相遇?
　　有无数个可能的世界，每个世界都对应一种结果，而我们的宇宙只会沿着其中一条道路走下去?
　　如果你认为这条思路是有用的，你会回答：＂谁知道呢；让我们试着找出答案。＂但是，除非你能找到一种解释优于另一种解释的实验益处——除非你能在某种实验室环境中对它们进行对比测试—— 否则你在选择一种解释时所做的一切都是在展示你的人类偏见。 如果不是证据在做决定，那就很难说你的努力有任何科学价值。
　　宇宙暴涨期间发生的量子涨落在宇宙中被拉伸，当暴涨结束时，它们变成密度涨落。随着时间的推移，这导致了今天宇宙的大规模结构，以及在CMB（宇宙微波背景辐射）中观察到的温度波动。这是现实的量子特性如何影响整个大规模宇宙的一个壮观的例子。来源：E. Siegel; ESA/Planck and the DOE/NASA/NSF Interagency Task Force on CMB research
　　如果你只教某人我们认为在19世纪支配着宇宙的经典物理定律，他们会完全被量子力学的影响所震惊。不存在独立于观察者之外的＂真正的现实＂之类的东西。事实上，进行测量的行为本身就会不可逆转地改变你的系统。此外，自然界本身具有内在的不确定性，从原子的放射性衰变到使宇宙成长并形成恒星、星系，最终形成人类的结构的最初萌芽，都是由量子涨落造成的。
　　宇宙的量子本质写在它现存于每一个物体的表面上。然而，它教给我们一个谦卑的观点：除非我们进行测量以揭示或确定我们现实的特定量子特性，否则在这样一个时间出现之前，该特性将保持不确定。如果你在大学里学习量子力学课程，你可能会学到如何计算可能结果的概率分布，但只有通过测量，你才能确定哪些特定结果发生在你的现实中。尽管量子力学是不直观的，但一个又一个的实验继续证明它是正确的。虽然许多人仍然梦想着一个完全可预测的宇宙，但依据量子力学而不是我们的意识形态偏好，才最准确地描述了我们所居住的现实世界。
　　参考链接：
　　https://bigthink.com/starts-with-a-bang/basics-quantum-mechanics/