【第三课：量子力学】量子力学到底在讲什么？量子纠缠是什么？量子通信又是什么？ 其实很多人只是听过量子力学的一些概念，还没有形成体系化的认知。 碎片化的认知会造成误解，但是系统学习又缺乏基础，这也是很多人看不懂量子力学的原因 文章将从整个量子力学建立的基础逻辑出发，系统串联量子力学的各种现象，最后到量子通信的原理，十分适合非物理专业的小朋友们系统地学习量子力学！  但说实话，量子力学很难兼顾通俗性和严谨性。过于通俗会失去严谨性，但过于严谨，基本上就没人看得懂。文案我已经改了十几遍，全程没有任何公式，尽最大可能达到了通俗和严谨的平衡点。 首先不要对量子力学中复杂的概念难倒，量子力学无非就是物理理论，物理理论就是对自然现象的归纳，所以你面对的不是晦涩难懂的量子力学，而是不太容易理解的自然现象。 我们面对的世界，在尺度上，无非就是宏观和微观世界之分。 而宏观和微观世界的分界线就是原子。比原子大的物质，就是宏观世界。  比原子小的物质，就是次原子粒子，也就是微观世界。 量子力学研究的就是微观世界的物理现象。一开始，物理学家以为微观和宏观世界的物理规律是一样的。 但是后来发现，微观世界和宏观世界几乎没有什么共同点！ 如果微观世界和宏观世界的现象一样的话，那就没量子力学什么事了，直接用牛顿力学就能描述微观世界的现象。那现在的物理理论就简单了很多。 微观世界起初让人类感觉到困惑的是：电子绕原子核运动的规律琢磨不透。  按照以往的思路，电子绕原子核运动，就是原子核给电子提供了引力和电磁力。引力和电磁力会转化成电子绕原子核运动的向心力，所以电子绕原子核应该是像地球绕太阳一样的圆周运动。 但是后来发现，电子的轨道根本就不是什么圆周运动。电子甚至就没有可以确定的轨迹。我们无法算出电子下一秒会出现在哪。 至于为什么会这样，没有人能知道，自然现象就是这样，你也没有办法。 虽然我们不知道电子下一秒会出现在哪，但是好在，电子貌似会经常出现在原子核外几个比较固定的区域。 比如观察100次电子出现在原子核外的区域分布，会发现电子出现在A区域的次数为20次，b区域为25次，c区域为35次，d区域15次，其他区域为5次。  虽然无法精确知道电子下一秒出现在哪一区域，但是起码可以用统计学描述电子出现在几个常见区域的概率。 这就引申出上帝到底扔不扔骰子的问题。 在牛顿力学中，只要知道一个物体起始的速度 质量和受力情况，就能计算出这个物体在未来某一刻的具体位置。 未来发生的一切是早已被起始状态设定好的。比如你的人生从宇宙诞生的那一刻就已经被设定好了，你能看到这篇文章也是被设定好的。这就是经典的机械决定论，也叫宿命论。  但是电子绕原子核的运动貌似是随机的，电子下一秒出现的位置和初始状态没有确定的线性关系，任何计算都无法精确得知电子下一秒的位置，所以电子的运动就否定了机械决定论。 除了电子，所有微观粒子的位置都是随机的，需要用概率描述。而我们人体又是由微观粒子构成，所以这就意味着，人的命运并不是被决定好的，人的意志是可以逆天改命的。  所以有人才说，上帝原来是扔骰子的。对于这个问题，如今依旧存在争论，本期视频重点不在这里，所以就不再赘述。 我们常常说量子力学，那为什么要叫量子力学，而不叫粒子力学呢？为什么要用“量子”这个词语，量子到底是个啥？ 首先你得思考一下，能量是怎么传递的。把一杯热水放凉，是因为热水把自身能量传递给了周围的空气分子。  热水分子运动比较剧烈，而空气分子运动比较柔和，当热水分子撞击到空气分子，就会把动能传递给空气分子，进而导致运动程度降低，所以热水才慢慢变凉。这就是能量传递的过程。  不难发现，能量的传递过程无非就是依靠物质之间的相互作用，比如分子之间碰撞。 在热水放凉的过程中，温度从80℃降低到20℃。温度降低是一个连续的过程，中间会经历从20℃到80℃之间的任意一个温度值。比如50.654℃，35.6521℃……等等。 这就意味着在热水放凉的过程中，能量的传递是连续变化的。 热水放凉是宏观世界的能量传递，但在微观世界，能量的传递并不是连续的，而是间断的。 我刚才已经强调过，能量的传递依靠的就是物质的相互交换。 既然已经到了微观世界，那这里面的物质很有可能就是最小的物质，比如基本粒子。  基本粒子就是最小的粒子，不能再细分了。 而微观世界所有的能量传递本质上都是依靠基本粒子相互交换来实现的，比如光子。 光子只能是一个，两个，三个……，没有二分之一，三分之一 个 光子。所以一个光子携带的能量就是微观世界能量传递过程中的最小单位。  假设一个光子携带的能量的大小是A（hv）那么能量传递只能说是1A，2A，3A这样的递增过程。不存在1.2A，1.236A，2.58A……这样的过程。所以能量传递的过程并不连续，而是有间隔的，这个间隔就是1A。 1A代表的就是能量的最小单位，我们赋予这种现象一个新的物理术语，这就是：能量量子化。  所以量子代表的就是一种不可再分的基本单位。在微观世界，只要是不可再细分的概念，都可以叫做量子化，比如光子就是不可再分的基本粒子，所以光子也叫光量子。 这种不可再分的，非连续的量子概念，在微观世界十分普遍，是微观世界的基础现象，而量子力学正是研究微观世界的理论，所以量子力学才由此得名！ 我们经常说微观粒子，导致很多人误认为微观粒子是一种实心的小球。 其实微观粒子的本质更像是一种波。如果要彻底搞懂量子力学，首先就要默认所有的粒子都是波。这种波并非类似水波，声波这样的机械波。 微观粒子都是以波的形式呈现的，从而弥漫整个宇宙空间，理论上所有波都可以弥漫到宇宙边缘。虽然波的空间尺度是无限远的，但是波的能量往往会聚集到某个固定的空间尺度上，从而形成波包。 波包越聚集，就越像粒子。这也是波粒二象性的体现。 事实上，测不准原理正是由波粒二象性造成的。 现在我们将微观粒子想象成一个具有波动性的波包。这个波包越聚集，就越像粒子，越分散就越像波。波包有两个显著的物理量，一个是位置，一个是动量。 你可以将波包的位置理解成宽度，动量理解成能量。 如果我们要测量这个波包（粒子）的位置（宽度），那么就需要用光子撞击波包，通过光子探测到的信息就可以确定波包的位置。 但你会发现，这样得到的波包位置（宽度）范围比较广，如果想要得到更加精确的位置，你就必须提高光子的能量去撞击波包，导致波包吸收能量后，更加聚集，所以宽度就越窄，更像是一个粒子，位置也就测得越精确。 但这时候，位置是测量精确了，但是波包因为吸收了光子的能量，导致动量增加，所以波包的动量就和起始的动量相差甚远。所以你测量到的动量信息就越不精确。 如果你要精确测量波包的动量，就得降低光子的能量，这样一来，波包的宽度就比较大了，所以位置就测量得越不准确。 对于这个现象，海森堡就认为，粒子（波包）的位置和动量信息不能同时精确测量，位置测得越精确，动量就越不精确，反之亦然！并且认为这主要是由于测量仪器发射的粒子造成的。 但是当代的量子理论认为：海森堡的这种解释并不是十分正确，测量仪器固然会对被测量对象造成干扰，但是这不是主要原因。 主要原因是粒子的本质就是波包，测量波包的精确位置就相当测量 绳摆产生的波动位置，这是毫无意义的，因为波就不可能存在完美的位置，测量动量也是这个道理，粒子不存在完美的动量。 所以现代物理学认为，测不准原理的本质并不是实验仪器造成的，而是微观粒子的内禀属性。 用“测不准原理”这一物理名词会误导大众，让人误以为是人类科技手段有限造成的测不准。如今测不准原理早已被改成不确定性原理的叫法。 微观粒子还有一个十分普遍的特性，那就是态叠加原理。这个原理的数学解释十分晦涩，且枯燥。态叠加就是我们常说的量子叠加。 比如电子的自旋，即是上旋又同时是下旋。这种匪夷所思的现象也令薛定谔困惑，为了通俗地解释量子叠加，所以就将其拓展到宏观世界，也就是那只既死又活的猫。 其实你只要将微观粒子想象成波，那就很容易理解量子叠加。 这条波弥漫整个宇宙空间，但并不是均匀分布的，波上有个波包，波包在哪，我们就说这个粒子在哪。 问题是，理论上这个波包可以出现在这条波上的任何位置上。而波又弥漫整个空间，所以我们才说粒子可以出现在空间上的任何一个位置。 测量之所以会导致量子叠加态消失，是因为测量仪器肯定需要发射某些粒子探测 被测量粒子（波），被测量粒子原先的叠加态就会因为这些粒子的干扰而消失。这就是测量坍塌效应。（理性讨论延迟选择量子擦除实验） 只要我们不去测量这个波包（粒子），那么波包（粒子）本身就和这条波是一个整体。所以这个波包（粒子）在空间的位置就是叠加在一起的，所以粒子即在这，又同时在那，可以同时处于多个位置。这就是叠加态的体现。 你要是从这种角度理解量子纠缠就十分容易。 两个纠缠粒子其实是同一条波（复合系统），只不过测量行为会导致这条波坍塌出两个波包（粒子）。 这两个波包在没有测量之前本来就是共同叠加态的波。 测量就会导致叠加态消失，变成两个确定的波包（本征态），但是作为观察者的我们来说，好像这两个粒子（波包）可以无视空间，而同时作用。这就是量子纠缠的超光速现象。 其实本质来说，纠缠粒子之间本来就是同一个粒子。所以对一个粒子的测量，其实也就是对另一个粒子的测量，所以量子纠缠必然是同时发生的！ 但量子纠缠这种现象并不存在什么实质上的物质运动，所以就不能传递信息和能量。 那为什么我们宏观世界的物体不存在量子叠加现象呢？其实这个宇宙的规律本来就没有宏观和微观世界之分。 本质都是由微观世界的现象主导的，量子叠加才是宇宙中最普遍且最正常的现象。我们之所以无法理解量子叠加，是因为我们生活在叠加态已经坍塌过的宏观世界。 基于宏观世界归纳出的牛顿力学，是先入为主的，所以我们才认为非叠加态才是正常的，叠加态反而不正常。 宏观世界的叠加态消失只是因为宏观物质的比较大，树大招风，几乎都会遭受到各种干扰，比如宇宙中无处不在的光子会撞击宏观物质，这种干扰的本质就相当测量坍塌效应，导致宏观世界的叠加态都坍塌掉了，而呈现出确定的状态。 最直接的证明就是空气分子的叠加态，和分子尺度上的量子纠缠。 这就证明，即便比原子还大很多的物质，只要不被其他粒子干扰（相当于测量坍塌效应），依旧会出现叠加现象。 但在现实中，比分子再大一点的物质就必然会遭受其他粒子的干扰，所以分子尺度以上的物质，叠加态就会因为被干扰（测量），全部消失掉。 现在我们知道一个光子就是一个波包，这个波包的很多性质都是叠加态的。如果你要复制这个光子的状态，就得把这个光子一分为二，但是光子是量子，是不可以再分，所以这个方法是被堵死的。 第二个方法就是测量这个光子的信息，然后根据这些信息重新还原一个相同的光子。但问题是，由于测量坍塌效应，一旦测量就会造成光子原来的叠加态消失，所以你永远无法得到这个光子原来的叠加状态。 这就是单个光子无法克隆的性质。 传统的电磁波通信，是发射频率高低不同的大量光子，光子频率的高低代表就是0和1。所以窃听者可以在光子传递的过程中偷走少部分的光子，通过这些光子的频率高低就可以解读出通信的内容。 而量子通信是利用单光子不可克隆原理 进行量子密钥分发，理论上可以做到信息的绝对安全。 窃听者要窃听电磁波通信，要么就偷走光子，要么测量光子。 而单个光子一旦被偷走，那直接就被发现，这样就证明传递信息的过程已经被窃听，那干脆就不发送信息了。 如果窃听者不偷光子，只是窃听，就会引发测量坍塌效应，也会被发现。 只要量子通信被窃听，就一定会被发现。所以通信双方就会放弃此次通信 那要是一直窃听，会不会造成通信持续中断？目前来说是这样的。其实信息被窃听并不可怕，可怕的是被窃听了，还被获取了内容。 量子通信最大的贡献就是得知通信过程是否被窃听，而不是阻止窃听行为。 虽然窃听者可以通过持续窃听行为阻断信息的发送。但是我们可以换其他信道传输。 即便其他信道也被持续窃听，导致信息中断。那还我们还有物理手段对付窃听者。 |
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