量子世界的5种诡异现象

中国物理学会期刊网 2022-05-18

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尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）曾说，“如果有人在第一次和量子理论打交道时没有感到震惊，那他一定无法理解它”。就连理查德·费曼（Richard Feynman）这样的天才，都很有把握地说，“没有人懂量子力学”。

这或许是因为，对于生活在日常世界的我们来说，量子世界实在太反直觉了。量子领域出现了许多诡异的现象，让我们无法理解，甚至难以相信。但正是这种令人难以置信的理论，却成了目前最精准的理论之一，构筑了现代物理学的基石。

这里介绍5种诡异的量子现象，让我们前往量子领域一探究竟。

在我们日常生活中，物体看起来都是连续变化的，比如从高处坠落的小球，一飞冲天的火箭，不断流淌的溪水……但从微观世界的粒子角度来看却并非如此。对微观粒子来说，变化的物理量存在一个“最小值”，这就好像爬梯子或者下楼梯，只存在一阶一阶的状态，而每一级台阶就是变化的最小量。

1900年，马克斯·普朗克（Max Planck）发表黑体辐射公式，假设电磁波（比如光）的能量不是连续发出的，而是以离散的“量子”形式释放，提出了能量的量子化假设。量子化开始仅作为一种数学技巧应用，但它却能够解释许多物理现象，成为量子力学中的基础概念。

1935年，物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）为了质疑量子力学对叠加的诠释，提出了“薛定谔的猫佯论”。在他的思想实验中，他将微观的叠加态原理推广到了宏观领域。从直觉出发，猫处于“死”和“活”的叠加态听起来就十分荒谬。

然而有意思的是，它后来恰恰成了解释叠加的最著名例子。尽管我们从日常经验出发很难理解这个概念，但对微观粒子来说，同时处于不同的状态是可能的。如果我们把粒子比作玻璃珠，这颗玻璃珠放在碗中来回摇摆，在经典世界中，它要么出现在左边，要么出现在右边，而对粒子来说，它可能同时出现在左右两边，这就是叠加。

这一现象对量子信息技术非常重要。在经典计算机中，一个比特的状态只能是0或1，但量子比特却允许0和1的同时存在。利用这种原理，通过巧妙的算法设计，就可以达到快速计算的能力，这也是量子计算机的基础。

事实上，叠加的状态是非常脆弱的。如果用薛定谔的猫的例子来解释的话，人们在打开盒子的一瞬间，猫的“既生又死”的状态就会因为人的观察而不复存在——它要么是活的，要么是死的。

在量子力学最著名的双缝实验中，如果向双缝发射电子，在没有观测的情况下，电子会处于“同时穿过左缝和右缝的叠加态”，从而在屏幕上产生干涉条纹。然而当观测者存在时，干涉条纹也就消失了，因为观测本身干扰了系统，退相干的现象就此产生。

目前，一些高精度的探测器，例如LIGO中使用的干涉仪，都是建立在量子性上，而退相干现象的出现正是这类精密仪器共同面临的主要问题之一。因为退相干的存在，量子计算机对运行环境的要求十分苛刻，这也是量子计算机发展中需要解决的关键问题之一。

量子力学中的另一种最具代表性的诡异现象被称为纠缠，这是一种连爱因斯坦都无法理解的现象，他称之为“鬼魅般的超距作用”。

简单理解，纠缠就好像是把量子“连接”在一起，无论相距多远，即使你把一个粒子放在地球上，另一个粒子送去另一个星球，它们之间也能保持着一种特殊的关系，并且瞬间共享它们的某些状态。

粒子在产生这样的相互作用后，它们之间就成了不可分的整体系统。这就好比，在课程表中只有语文课和数学课，那么它们在某种意义上也是“纠缠”的，只要知道其中一门课程的时间，就可以推算出另一门课的安排。类似的，在纠缠的量子系统中，通过其中一个的状态，就可以知道其他纠缠的粒子的状态。因此这一现象在量子计算、量子通讯中发挥了重要作用。

为了理解隧穿，我们可以把势垒想象成一座山。一个自身能量小于山峰势能的微观粒子位于山的左侧，按照经典世界的经验，这个粒子绝对爬不到右侧。但是当你过段时间再去观察这个粒子，你可能会发现它通过“穿山而过”成功抵达了右侧，这种“穿越”的现象就叫作量子隧穿效应。

隧穿是微观世界特有的现象，正如大卫 · 格里菲斯（David Griffiths）教授在他的量子力学教材中所写，“即使粒子也有被比自身能量低的势垒反射回来的概率，我也不建议你开车驶下悬崖指望量子力学来救你”。

因为隧穿效应的存在，放射性元素能够发生α衰变，从而带来了自然中的元素演变。除此之外，隧穿效应也是现代电子学技术的基础之一，促进了电子显微镜的发展，比如扫描隧道显微镜就是根据隧穿效应的原理而制成的。

#创作团队：

选题：杭州小张

策划：Takeko

文字：原理实习生静桑、辰依酱、陈陌

编辑：Takeko、hzxz

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动画视觉：毛尖尖

#参考来源：

https://www.nist.gov/topics/physics/introduction-new-quantum-revolution/strange-world-quantum-physics