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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 。
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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 。
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1935年 ， 物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schr?dinger）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 。
【量子|量子世界的5种诡异现象】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 。
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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 。
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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 。
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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
图片设计：毛尖尖
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
https://www.livescience.com/33816-quantum-mechanics-explanation.html
https://jqi.umd.edu/glossary/quantum-superposition
https://www.scientificamerican.com/article/quantum-physics-may-be-even-spookier-than-you-think/
Monroe, C. , et al. "A "Schrdinger Cat" Superposition State of an Atom." Science 272.
https://jqi.umd.edu/glossary/entanglement
https://www.quantamagazine.org/entanglement-made-simple-20160428/
https://www.chemistryworld.com/news/explainer-what-is-quantum-tunnelling/4012210.article
https://www.cell.com/trends/chemistry/fulltext/S2589-5974(20)30215-X
（美）大卫·格里菲斯 著. 量子力学概论（第二版）. 贾瑜等译. 北京：机械工业出版社 ， 2009
#图片来源：
封面：NSF
背景：tanakawho under cc by via flickr
地球：kristian fagerstro?m under by sa via flickr
星球：Tyrogthekreeper under by sa via wikimedia commons
来源：原理
编辑：hxg
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