不懂量子力學？那你可以試試在家裡做這五個實驗！
作者 | Ethan Siegel
翻譯 | 山寺小沙彌
審校 | yangfz
溫馨提示：如果自己在家動手做實驗，一定要注意安全哦~
宇宙是由許多不可分割的微小粒子構成的，這些粒子具有量子特性。然而，這些粒子只能在某些特定的情況下表現出它的粒子性，而在某些特性的情況下表現出它的波動性。這樣詭異的說法有點違反直覺，甚至是荒唐的。要讓物理學家相信這樣的性質是粒子的固有屬性，得用實驗來驗證說明。你能在家裡驗證這兩種性質中的一種嗎？
有一些很簡單的方法可以讓你感受到粒子的粒子性和波動性，下面的這些實驗，你可以在家裡自己動手完成。
把一束激光打到CD或者DVD上，通過得到的衍射圖案可以測量光存儲介質中凹槽之間的間距。
1.激光筆和CD/DVD藍光光碟。家裡有激光筆嗎？有CD，DVD或者藍光光碟嗎？將激光筆打開，以一個較陡峭的角度照射在光碟上，你看到了什麼呢？不要看光碟（注意不要讓激光打在眼睛上），而是看看反射的斑點，你只看到了一個光斑嗎？不是的，你應該看到了一堆光斑，起碼有3個吧，這取決於你的激光筆光斑直徑的大小。
之所以會出現這種現象，是因為光存儲介質中存在著微小的凹槽，光斑之間的距離和凹槽之間的間距成反比。光斑之間的距離越小，凹槽之間的距離越大，這就意味著這張光碟可以存儲的數據越少。如果你有一張CD和一張DVD，不妨檢查下兩張光碟產生的光點之間的距離。這種方法可以驗證光的波動性。
當激光打到頭髮上，產生衍射圖案，這不僅可以說明光具有波動性，還能測量你頭髮的直徑。
2.激光筆和一根頭髮。有沒有一根「閑置」的頭髮呢？將頭髮粘住，讓其懸在空中，將整個實驗裝置放在一面空白的牆前面。打開激光筆，讓激光打在頭髮上，看看牆上出現了什麼。看到了明暗相間的條紋？這是由於光的波動性，類似於傳統的雙縫干涉實驗（光從頭髮的兩邊經過，而不是雙縫）。衍射圖案是由光子和其自身干涉所產生的，連續的明亮條紋之間的間距實際上與你的頭髮厚度有關，更緊密間隔的衍射圖案意味著髮絲更粗。（頭髮直徑在20微米到160微米左右。）
如果你覺得光是一種波，你就可以通過這個實驗來驗證。
當用偏振濾光鏡拍攝時，只有一部分光線（特定方向偏振的光線）投射，這就使得我們可以看到後窗玻璃的缺陷。
3.手電筒和偏光太陽鏡。想要演示光是如何極化的，並且具有電磁特性？還是想進一步了解量子加密是如何工作的？在黑暗的房間里拿出一把手電筒，將手電筒打開，照亮牆壁。準備好三個偏振片（簡單快捷的方法就是從偏光太陽鏡中取出鏡片），將其中一個放在光束後面，第二個放在第一個後面，當你旋轉第二個鏡片，你會發現光線變得昏暗，當鏡片轉到某個角度，你會發現光消失了。這時候就是兩個偏振片彼此呈90°的時候，通過第一個偏振片的電場被第二片偏振片完全阻擋了。
線偏振器將非偏振光變成一束單一的線偏振光，所有波的垂直分量透射，而水平分量被吸收和反射。
但是如果你在兩個偏振片之間又插入一個偏振片，並旋轉它，你會發現光線將會穿過三個偏振片！中間的偏振片將允許一部分光（電場與偏振片對齊的那部分）通過，然後這束光也會部分通過最後一個偏振片。這是可以很好的演示光的電磁特性的一個實驗。如果想要演示量子加密，那麼只要移除中間的那個偏振片，並控制第二個偏振片的旋轉角度。如果兩個偏振片平行/垂直，或者對角排列，那麼你就會得到不同的通信方案，原則上，你只需要一個光子就可以傳輸信息。這個實驗也可以完美的模擬量子加密。
只要你隨機產生一些信息，然後讓其與兩個偏振片的狀態相對應（平行/垂直，或者對角），這時候只有你的接收方可以解碼你的信號，那些沒有密鑰的信號劫持者只有破譯了加密方式才能獲得信息。量子世界比我們想像中的怪異，但是光的粒子性和波動性我們可以在家裡就能看到。
對於有放射性粒子的額外「獎勵」，添加一個煙霧探測器到你的雲室里，並觀察它發出的緩慢移動的粒子，有些粒子會反彈到底部。
4.建立屬於你的雲室。你是否想用自己的眼睛看到粒子，以及它們在空中的運動軌跡？那麼，花不到100美元，你就能在家裡看到宇宙射線以及放射源。你所要做的就是搭建一個雲室。你可能無法親眼看到一些亞原子粒子，因為我們肉眼能感知到的波長的光幾乎不受它們影響。但是，如果用酒精（純度高的乙醇，低於90%都不行）製造出一種蒸汽，這使得你可以親眼看到一個帶電粒子的運動軌跡！如下所述：
1） 首先準備一個密封性良好的魚缸，以免出現泄漏。
2） 切好三個尺寸相同的絕緣泡沫，將其中兩個挖出長方形的孔，使得魚缸可以放入，第三個可以作為「基底」。
3） 切一塊與絕緣泡沫相同尺寸的鍍鋅鋼板。粘上黑色卡片或磨砂黑色毛氈，或噴塗啞光黑色油漆，表面尺寸的大小與魚缸大小相當。
4） 將金屬板放置於絕緣泡沫上，在魚缸上添加一個雙面的粘土層。將水或者酒精溶液倒入凹槽中，這樣的話，你將魚缸放在凹槽上的時候，空氣就不能隨意進出了。在魚缸的底部加入一層氈層或海綿狀的材料，一定要弄好，因為我們要將魚缸倒過來用。一旦完成了上述工作，你就能將這些東西放在一起了。
5） 將一些乾冰置於絕緣泡沫的前兩層（實心底座和空心矩形）中，然後將金屬板（黑色那面朝上）放在頂層上，然後放置最後一層絕緣泡沫。將水/酒精放入粘土槽中，同時用酒精溶液浸泡/浸透魚缸中的氈/海綿層。（專業提示：使用更多的酒精使毛氈/海綿層飽和，這樣效果會更好，千萬不要吝嗇哦！）將魚缸翻轉過來，把邊緣放在金屬槽內，這樣你就可以把酒精蒸氣密封在裡面。
6） 關掉所有的燈，把它放在黑暗的房間里，用一束光照射魚缸，把一個溫暖、較重的物體（如摺疊的毛巾，從烘乾機里取出來）放在水箱上面，然後等10分鐘。
7） 忙活了這麼久，你能獲得什麼回報呢？你會看到過飽和蒸汽跑出來，朝著魚缸底部運動，你可以看到類似於「軌跡」的圖像，當然，這取決於你的魚缸大小。把煙霧探測器放在裡面，你將會看到更多。好好享受屬於你個人的亞原子旅程吧。
光電效應詳細的說明了電子的激發取決於光的波長，而不是光強或者光的其他性質。
5. 短波紫外光和聖誕樹金屬箔。你們應該都知道愛因斯坦吧？儘管他以相對論和E =mc2而聞名於世，但他因為量子研究而獲得了諾貝爾獎，也就是光電效應。現在你可以在家裡自己動手做這個實驗。用砂紙打磨一個鋁罐子的外表面，將金屬箔粘在這個罐子上面，金屬箔和罐子接觸越緊密越好，你也可以用銅絲把這兩個東西捆在一起。把罐子和金屬箔放在隔熱材料的表面上，如聚苯乙烯泡沫塑料杯子，然後把充氣的氣球在你的襯衫上來回磨蹭，目的是為了讓氣球帶電。將帶電的氣球觸碰金屬箔，這時候金屬箔和鋁罐子將帶負電，與鋁罐子相互排斥，金屬箔飄了起來。
如果你讓質量較小、導電的材料和另一個類似的材料帶上同種電性的電荷，那麼他們將會相互排斥。人的頭髮和金屬箔都是很好的例子。
現在，將短波紫外光發生器（需要有UV-C光）的開關打開並指向鋁罐子，此時電子被「踢開」了，你會看到金屬箔落下了。如果使用可見光，紅外光，甚至是UV-A或UV-B光，則電子將繼續束縛在罐子上。這是光電效應的一個例子，證明了它取決於光的波長，而不是光的強度。
宇宙中的很多想像是遠超乎我們人類的想像的，儘管如此，許多違反直覺的現象，即可以揭示宇宙的量子性質的現象，卻可以在家中看到。只需要一些設備，需要實驗者的耐心和努力，我們就能在家裡看到這些令人難以置信的現象。忙活了這麼多，我們也收穫頗多，這些現象可是一個多世紀以前，很多才華橫溢的物理學家也沒有察覺到啊。
https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-how-can-i-see-the-quantum-universe-at-home-ee5a0aeefc75
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