阿怪带你走进量子世界一探究竟！量子力学概念解析（一）

“我相信，世界上没有人能真正懂得量子力学”——费曼（量子力学创立者之一）

量子力学的确难以理解，人们只能通过观察、研究、思考，发现量子世界中各种颠覆“常理”的现象，但要追究这些现象产生的根本原因，大多数到目前为止仍是未知的。这不免为量子世界蒙上一层神秘色彩。

​阿怪今天就和大家一起走进“量子世界”，揭开量子世界的神秘面纱，看看“量子纠缠”到底是咋回事。

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简述量子力学

什么是量子

在物理学中，如果一个物理量存在一个最小的不可再分割的单位，就把这个最小单位称为量子，并说这个物理量是量子化的。比如光量子（通常称为：光子）、电荷量。

量子力学

是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究对象是原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子（在不改变物质属性前提下的最小体积物质，目前发现的基本粒子多达60多种，如中微子、μ介子、各种宇宙射线粒子等）。

量子奇特的运动现象

双缝干涉实验示意图

​发现量子奇特运动现象的著名实验就是双缝干涉实验：

目前实验技术水平已经能做到发射单个光子（或者电子）。如果只打开其中任何一个狭缝，让光子一个一个的通过狭缝打到屏幕上，结果看到狭缝后出现一个大亮斑，这一点儿也不奇怪；如果打开双狭缝，仍然一个一个的发射光子，按照常识逻辑推理，光子要么通过上狭缝、要么通过下狭缝，应该在屏幕上看见两个大亮斑，然而实验结果却是，在屏幕上出现了一排明暗相间的干涉条纹。实在是一个颠覆我们认知的实验现象，，显然光子的运动不遵循经典力学的运动规律！

无法确定的运动

在没有认识量子世界之前，人们普遍认为通过观察、实验和计算等科学的方法一定能确定某个物质的运动情况，只是因为科学技术的限制，还达不到完全准确的精度而已；然而在研究了更多的量子运动情况之后，科学家不得不打破这种观点，不得不承认微观量子世界运动的不确定性——概率。

所以，我们在认识量子世界的过程中，一方面需要我们把“常规”认知和理解经典世界的思维方式放到一边，一方面也需要我们快速建立“量子”思维方式以更好的理解量子世界，正所谓“入乡随俗”。

最典型的就是科学家对原子内部结构（原子核与外层电子的排布关系）的认识变化：

以最简单的氢原子举例

电子云示意图

​起初人们普遍认为电子是围绕着氢原子“旋转、跳跃、永不停歇”，就像地球绕着太阳转一样（原子核的“行星模型”）；然而这种观点并不能全面解释一些现象，后来科学家通过对量子的奇特运动的研究，提出更为准确的描述氢原子核外电子的运动情况：一个电子同时“充满”了氢原子核外（因为电子出现在核外的任何位置都存在概率），就像“云”一般把氢原子核包裹起来（如上图），当在核外某处探测到电子时，整个“电子云”便会瞬间消失，剩下我们探测到的那唯一一个电子。

概率波

薛定谔学习“波”时的笔记

​上面的“双缝干涉实验”和“电子云”模型描述了量子世界运动的特异性，但也为我们留下了一个大大的疑问：那么这些量子究竟如何运动，才会出现这些奇特的现象呢？

实际上前面已经透露了量子世界的关键词：概率。

量子级别的微观粒子运动是没有“轨迹”可言的，尽管如此，它的运动也并非杂乱无章，而是遵循一定的概率出现，所以科学家们根据量子的这种特性，把量子的运动情况描述为“概率波”的运动。

那概率波又是什么意思呢？跟机械波、电磁波有什么异同吗？

相同点是，三种“波”的数学表达形式（波函数）雷同，都可用叠加原理进行计算多个波的叠加效果；不同点在于，机械波、电磁波都是真实存在的，而概率波仅是一种用于描述量子运动的情况的统计数学的表达形式，并不真实存在。

建立起“概率波”这个抽象概念之后，我们就能像计算宏观物体的运动情况一样，通过计算描述量子的运动情况了，这样就把“概率”这个不确定的东西在一定范围内确定下来了。

量子纠缠

​定义：当几个微观粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性（如自旋特性）已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质（不可分性），则称该现象为量子缠结或量子纠缠。量子纠缠是一种独特发生于量子世界的现象，在经典（宏观）世界里，找不到类似现象。

举例说明：

1. 抽象例子（更符合实际）：测到A量子具有自旋（假设左旋），B量子具有自旋（假设右旋），现在让它们相互作用（例如互撞），之后形成了一个新的量子系统A+B，也能测到整体系统自旋（假设上旋），而此时已经再也无法分别测到A或者B各自目前的自旋情况了，就说A与B纠缠在了一起，形成量子纠缠现象。
2. 形象例子（仅阐明原理）：有两团橡皮泥，我们能看到一团红色、一团蓝色，现在把它们充分揉搓在一起，再看新的橡皮泥是紫色，此时我们再也看不到之前两团橡皮泥的具体颜色了。（该例子有一个误导需要澄清：那就是你需要把两团橡皮泥看成是不能再分割的量子，否则你会以为量子纠缠是两个量子互相“融合”在一起了，而实际上，量子纠缠现象对于各个量子在空间上的融合是没有要求的，它可以是两个量子相隔很远，但依然满足纠缠现象，这里你可以看成是当红、蓝两色的橡皮泥纠缠在一起之后，即使两团橡皮泥相距很远，我们看它们这个系统依然是紫色，同时我们无法区分哪团是红色或者蓝色。）

什么是叠加态

“性别”的叠加

​叠加态又是量子世界中一个非常难以理解的概念。还以上面的红、蓝橡皮泥为例，上面说过当它们纠缠在一起之后，我们无法区分哪团是红色或者蓝色，也许很多人会这样思考：我们无法区分它们只是因为无法监测其中任何一个的颜色，而事实上它们各自的颜色应该是确定的：一个一定是红色另一个是蓝色。前半句正确，但是后半句跟实际的实验现象不符，真实的情况是，这两块橡皮泥纠缠在一起以后，任何一块都同时即是红色又是蓝色！简单说，就是两块橡皮泥的状态（颜色）叠加在了一起，两种状态同时存在。（如果我们用实验验证的话就会出现这种情况：我们通过某种方法“看见”了其中一块是红色，如果完全相同的情况下，再“看”一次这块橡皮泥，它就有50%可能性是蓝色。）

叠加态在宏观世界中也是不可想象的事，但在量子世界中确时有发生。

量子纠缠的超距作用

​上面也提到，量子纠缠现象对空间是没有要求的，举个极端例子，让两个量子互相纠缠之后，再把它们分开10亿光年远，它们仍是纠缠在一起的。

我们还知道可以用波函数来描述量子的运动情况，同样可以用波函数（φ）来描述纠缠态的量子系统，而该波函数也等于各个量子的波函数的叠加（φ=φ1+φ2）。于是，如果我们此时通过测量知道了其中一个量子的波函数（φ1），那么我们就能通过计算知道相聚10亿光年外的那个量子的波函数了（即：了解它的运动情况）（φ2=φ-φ1）。

还是用橡皮泥的例子来说明上述情况：把纠缠在一起的两块橡皮泥分开10亿光年，我们一旦“看见”其中一块是红色，那么另一块（本来是叠加态的红+蓝色）就立刻变成蓝色了。

这个现象岂不是在告诉我们：量子世界传递信息的能力超光速了吗？

包括爱因斯坦在内的许多科学家都对这个现象耿耿于怀。不过目前，对这种“超距”现象的解释中，普遍比较认同的是以下这个：

当人们通过一定方法测得纠缠系统中其中一个量子的状态后，整个纠缠系统就瞬间“断链”（即纠缠状态撤销），之后它们之间并不互相纠缠影响，与此同时，纠缠态的“超距”作用实际上并没有传递任何信息，所以也并不违背“光速极限”理论。