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“我那些物理专业的学生也不理解量子力学，因为我自己就不理解。” “我不相信上帝会掷骰子。” “如果能弄明白为什么会有量子纠缠，我立即死都愿意。” 你猜说这些话的人是哪几位大咖？他们在说什么？——如果你感到困惑、匪夷所思甚至开始怀疑人生……这很正常，读完本文你将知道，你和所有顶级科学家对量子世界的第一感觉是一致的。 然而，依然欢迎你随“我报道”一起进入神秘又纠结的量子世界。本文是“量子卫星”系列科普的第一篇，将着重讲解量子世界奇妙的“量子叠加态”和奇异的“量子纠缠效应”。
Q：量子是什么？？ A：它是微观世界里最小的、不可分割的基本单位。 中国近日将发射的世界首颗量子卫星，除了在建立量子通信网络方面具有巨大应用价值，还将为理解量子物理最令人费解的现象迈出重要一步。 据介绍，这颗卫星的一大任务是实现星地量子纠缠分发，在青海德令哈和云南丽江之间，或者青海德令哈与新疆乌鲁木齐之间，测试相距1200公里，被爱因斯坦称为“诡异的”量子纠缠现象。 量子是微观世界里最小的、不可分割的基本单位，比如，人们日常生活中常见的光，就是由大量光量子组成的。量子世界以一种神秘、有趣的方式运行，量子有着许多不同于宏观物理世界的奇妙特性，被认为是科学界最玄妙的话题，至今仍充满争议。  Q：如何通俗地描述什么是“量子叠加态”？ A：好比孙悟空的分身术，各个分身就像是他的叠加态。——by潘建伟院士 量子力学描述世界的语言与经典力学有着根本的区别。经典力学描述一个物体的状态，会给出它的明确位置；量子力学描述一个微观粒子的状态，给出的则是叠加态——这个粒子在某些情况下既可能在这里，也可能在那里，没有确定的位置。当对其观测时，量子叠加态将随机地以一定的概率呈现不同态的性质。 量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟喜欢用“分身术”来比喻量子叠加态，“这就好比孙悟空的分身术，一个孙悟空同时出现在多个地方，孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。” 潘建伟说：“在日常生活当中，我要么在上海作报告，要么在北京作报告，我不可能同时在两个地方讲。但在量子世界，作为一个微观的客体，它不仅在这里，也可以在那里，同时在好多个地方。” 描述量子叠加的最著名的思想实验是量子理论创始人之一、奥地利物理学家薛定谔提出的，有关一只猫的实验，因而被称为“薛定谔的猫”。在这个假想的实验中，一只猫被关在盒子里，盒子中还有一个原子核，它有50%的可能会发生衰变，而衰变将会放出一个粒子，粒子再触发毒气释放装置。在不打开盒子观察的情况下，原子核处于衰变和未衰变的叠加态中，在这种状态下，猫既是死的又是活的。 薛定谔是用这个假想实验来强调量子理论所描述的“荒谬性”。根据量子理论，这只未观测到的猫既是死的也是活的，直到你对它的观察使得它要么死掉要么活着，二者择一。
那只既死又活的猫总像噩梦一样让物理学家们不得安宁……
Q：为什么会有量子纠缠这么奇怪的现象？ A：谁知道呢…… 量子物理世界另一个奇异现象是纠缠效应，量子纠缠可以把两个或更多粒子的命运关联在一起。在这一奇特关联中的粒子“心心相印”，即使隔着一个太阳系，当测量其中一个的状态时，另一个状态也会即刻发生相应改变。 形象点比喻，这就如同两张相距甚远的纸张，人们在其中一张纸上书写的时候，另一张纸上会立刻显现出所书写的信息。 爱因斯坦对这种“幽灵般的超距作用”嗤之以鼻，更愿意相信这背后有某种隐藏的物理作用。 然而，1972年，美国物理学家克劳泽等通过实验证实，微观粒子“遥远的点之间的诡异互动”现象真实存在。 但是为什么会有这种现象呢？现在科学家也不知道。 如果你觉得量子物理太匪夷所思、难以理解，这是正常的，因为对于科学家来说，他们也有同感。 “当你思考量子理论时如果没有感到眩晕，”量子力学创始人之一——尼尔斯·玻尔说，“你就还没理解它。” 骄傲而聪明的美国物理学家理查德·费曼对量子力学的理解比任何人都深刻，他曾写到：“我那些物理专业的学生也不理解量子力学，因为我自己就不理解。”
爱因斯坦被公认为20世纪最伟大的物理学家——颇具讽刺地成为了量子理论的奠基者之一——他从来都不喜欢量子概率，还常说他不相信上帝会掷骰子。
美国诺贝尔奖得主穆雷·盖尔曼把量子力学描述为“神秘的、令人琢磨不透的学科”，“我们谁都谈不上真正理解，我们只是知道怎样去运用它。”
量子卫星首席科学家潘建伟说：“如果能弄明白为什么会有量子纠缠，我立即死都愿意。”
许多物理学家相信，量子力学一定还有某些因素尚待发现。 天空是量子纠缠的极限所在吗？
量子纠缠似乎能无视距离和光速的限制，在测量的一瞬发生诡异的互动。但在卫星上，当“同时”这个概念变得相对时，量子纠缠还能继续实验不败的神话吗？
潘建伟说：“我们有了（量子）卫星之后，就可以在宏观的距离上检验所谓的量子力学的非局域性。”
“对量子纠缠而言，在宏观的大尺度距离上，会不会有什么变化，会不会受到引力的干扰，实验上还是未知的。在卫星的帮助下，我们可以对物理学的一些基本问题做一些基本探索和检验，可能有新的物理发现。”潘建伟说。
他说：“物理学中，大家都追求突破极限，要不就无穷大，要不就无穷小。当你有一种新的能力时，到达新的尺度区间，如果你发现对现有物理学偏离的话，新的物理就诞生了。” （编辑：高杉） |
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