科普：一組實驗告訴你量子究竟是什麼？「通俗易懂」

「墨子號」量子衛星發射成功後，中國捲起了一股量子風。

量子是啥？有什麼神奇之處？

其實大多數人並未完全了解。

現在，請跟隨小編的步伐去認識神奇的量子。

首先要從我們熟知的著名的光的雙縫干涉實驗開始，這個實驗也被寫在我們的中學物理教科書中。

來看一張簡單的光的干涉現象的圖：

圖A

一個蠟燭發出光經過一個不透明的擋板A，擋板A中間有一個小孔，在擋板A後面有一個不透明擋板B，擋板B上有兩條平行的縫隙，然後我們可以在擋板C上得到一些明暗相間的條紋。如果B上只有一個縫隙，那我們在C上只會得到一個條紋。

PS：圖中的蠟燭+擋板A 可以換成 激光 替代（蠟燭加擋板的作用就是把蠟燭發出的光做成一個點光源，點光源發出的光我們可以認為頻率和方向一致，是相干光）

下面我們來解釋一下，為什麼會發生干涉，我們知道波都有波長、波峰、波谷，可以想像一下水波，在池塘裡面扔一塊石頭，類似下圖這樣：

圖B

看到上面的水波，我們對什麼是波有了一個初步的概念，那干涉又是怎麼產生的呢？

我們把圖A中的光，想像成水，則會有下面的圖C的現象：我們可以看到水波經過雙縫之後，產生了兩個水波，分別從雙縫發出，發生衍射，我們可以看到他們的波有相交的地方，波峰相交，會相互加強，波谷和波峰相交會相互抵消。圖中波紋線的交叉點都是波峰相交，這樣的相交，就發生了干涉。

圖C

下面的圖D，詳細的解釋了光是怎麼發生干涉的：

首先光通過小孔，形成了一個點光源，點光源發出的光，通過雙縫，產生兩束光，他們的波峰和波谷相交，形成干涉，可以看到圖中綠色的線的部分是波峰相交的地方，橙色的線是波峰和波谷的相交，最終在屏幕上，綠色線到達的點是亮紋，橙色線到達的部分是暗紋。然後我們就得到了明暗相接的圖案。

這就是光的雙縫干涉，這個實驗證明了光具有波的特性。

圖D

用小球代替光：

下面我們再來做另外一個實驗：我們把光束換成小球（你可以理解為乒乓球）。

先用一個只有一個縫隙的擋板，我們找一個小球發射機，對著擋板發射，這樣發出的小球要麼被擋板擋住了，要麼通過縫隙打到後面的牆上，事先我們在牆上塗好膠水，按常識，我們會在牆上得到一個一條粘在牆上的一堆小球的圖案，事實上也是如此。

圖E

下面我們把擋板換成有兩條縫隙的擋板，像圖F所示：小球經過擋板後，我們得到了兩條圖案，按常理也應如此。請繼續往下看下一個實驗。

圖F

我們把光子或者電子像小球一樣一個個發出去：

現在的技術已經可以實現將光子或者電子單獨一個一個發出去。

像剛才一樣，我們先用一個縫隙的擋板，然後用電子槍一個個向擋板發射電子，我們看到，在牆上可以看到像小球一樣的圖案，電子通過縫隙到達了感應器（圖片只是為了好理解，現實實驗中實際是感應屏，不是牆）。

得到這個圖案，都在我們的意料之中。這樣看，光有粒子的屬性，是一個個的粒子，這說明光或者電子也具有粒子的特性，我們繼續下一個實驗。

圖G

我們把擋板換成有雙縫的擋板，然後把電子一個一個發射過去，我們會得到什麼圖案呢？

按照常識，我們會得到像圖F中的小球一樣的圖案，會得到兩條條紋，然而，實際上並不是。請看下圖：

圖H，把電子一個個發射出去，讓其穿越擋板

圖I，電子穿過擋板，在感應屏形成了看似錯落隨機的落點

圖J

正如圖J所示，剛開始我們得到的看上去貌似錯落隨機的落點，但是當電子多了之後，我們得到了明暗相間的條紋，由電子感應後形成的條紋。

所以，發生了什麼？

發生了干涉，然而我們是把電子像小球一樣一個一個發射過去的，它和誰干涉呢？這就是問題所在。

所以下面，我們進行另外一個實驗，我們設置一個高速攝像機，來觀察一下，電子到底是通過哪個縫隙穿過的擋板，它是怎麼穿越的擋板。

我們設置一個高速攝像機來觀察電子的路徑：

類似圖K這樣，我們設置一個高速攝像機（也可以是其他可以判斷電子走向的東西），在擋板前面，看看電子到底是怎麼穿越雙縫的。

我們架設好後，繼續一個一個的發射電子，然而，我們得到了下面「圖L」中的圖案，干涉並沒有發生，我們得到了類似小球穿過兩個縫隙一樣的圖案。干涉消失了，我們得到了兩條紋。

實際上，把高速攝像機架設到雙縫擋板後面，我們依然得不到干涉條紋，似乎電子在穿越之前就知道有人或者物在擋板後面要觀察它。

圖K，電子槍和高速攝像機

圖L，沒有發生干涉的兩條紋

當我們把高速攝像機移除，我們又得到了明暗相間的圖案，干涉又發生了。僅僅是觀察行為，就讓電子或者光子表現出不一樣的行為：

你不觀察它的時候，它表現的像波，一旦觀察它，它則表現的像一個粒子。這就是光或者電子所表現出的波粒二象性。

對於波粒二象性，目前有兩種說法：

說法1：世界上所有物質都表現出要麼是波，要麼是粒子，而光子或者電子卻表現的既是波，也是粒子，所以很不可思議。比如想像一個足球他有固定的位置，就是粒子，大喇叭發出的聲音可以四處擴散就是波，任何事物都要麼表現的是波，要麼表現的是粒子。

說法2：世界上所有物質其實都同時表現出波和粒子的屬性，只是由於波長不一樣，所以我們感知不到，或者說無法觀察。

對於宏觀世界的物質或者說物品（比如足球，比如汽車），因為他們質量大（相對微觀世界），由於波長和動量相關，動量越大（動量=質量*速度），波長越短，所以它們的波長很短，可能是萬億萬億萬億萬億分之一米，幾乎為0，我們無法檢測到，所以感知不到；

而微觀世界的電子，它的波長足夠大以至於我們可以測量到，我們知道它的波長，但是我們不知道它的位置，而一個有固定位置的電子又不會產生波所以表現的像粒子，這也就是不確定原理。

在量子物理中，怎麼簡單的來理解什麼是波，什麼是粒子？

粒子可以認為有確定的位置和速度，一個粒子A要麼在點B，要麼不在，如果它在點B，那麼它一定不在其他任何地方。而波，我們沒有辦法確定它確切的位置。

了解了波和粒子的概念，回到剛才的實驗結果，那麼，到底是什麼影響了電子的行為？

有一種解釋是說，電子本來是波，然後一旦發生觀察行為，則波函數坍縮成粒子，但是電子怎麼知道有人（或者物）在觀察呢，波函數又是怎麼坍縮的呢？

對於這個問題，目前有很多種解釋，我們來看幾個。

說法1：意識參與的結果

在微觀量子世界，只有你看到之後，只有人的意識參與之後，才是確定的，看到之前都是不確定的，意識的參與造成了波函數的坍縮，呈現為粒子狀態。

說法2：觀察者效應

就是當你觀察一個東西的時候必然對它產生了影響。

比如你要觀察一個物品，比如看遠處的山或者做B超，肯定有光或者電波射到被觀察的物體之後反射回來被我們接收到，我們才能看到，那麼這些射到被觀察體上的光或者電波影響到了被觀察體，所以被觀察體表現出不一樣的性質來。

宏觀世界我們可能感知不到，比如我們看遠處的山，肯定是陽光照在山上，然後再反射到我們的眼中，宏觀世界中陽光對山的影響可以忽略不計。

但是微觀世界，光或者電波對單個光子或者電子的影響不能忽略不計，所以造成了被觀察者行為的改變，即觀察粒子不可避免地干擾它們足以破壞干涉圖案。

說法3：不確定原理（測不準原理）

是由海森堡於1927年提出，你可以簡單的理解為在微觀世界，我們不可能同時知道一個粒子的速度和位置，一個粒子沒有確切的位置，而是以概率雲的方式瀰漫在空間中，它有可能在這，也有可能在那。

說法4：當沒有觀察的時候，電子自己和自己干涉

電子既可以在A點，也可以在B點；這個不能用我們宏觀世界來理解，這也正是量子世界的神奇之處，已經超出了人類的理解範圍，就好比你跟一隻小貓來講化學反應一樣，它肯定理解不了。

說法5：模擬世界

我們所在的世界是類似超級計算機的東西模擬出來的，在不觀察光子或者電子的時候，它是波的形式，或許是因為波消耗的計算資源少，觀察的時候就精確計算表現成為粒子。

就好比我們玩一些遊戲打怪一樣，只有你到了一個遊戲中的地方，電腦才會渲染那個地方的界面，比如你在遊戲中的海邊打怪的時候，電腦只會渲染海邊的地圖和怪物，然後地圖切換，你又來到大山中，電腦才會渲染山中的界面和怪物，而你在山中的時候，海邊的怪物還在嗎，為了節省資源，電腦其實是沒有渲染的，當你又回到海邊，電腦直接再把海邊的渲染出來呈現給你，它省略了過程，只給你結果。就是說當你看它的時候，它才會在。

說法6：平行宇宙

是說世界上可能有無數個宇宙，我們只能存在和感知到其中一個。

每個宇宙中的自然規律也各不相同，當粒子穿越雙縫的時候，實際上被分裂成兩個宇宙中，每個宇宙中任何選擇的時候都會被分裂兩個宇宙，一個選A，一個選B，這樣就會衍生出無數宇宙。

比如這個宇宙的電子選擇了走A縫，另外的宇宙選擇了走B縫，我們只能感知到其中一個，比如你看到了電子穿越了A縫隙，另外一個宇宙中的你，可能就看到電子穿越了B縫隙。

說法7：隱變數理論

主要是以愛因斯坦等人提出，認為現在的量子力學理論目前是不完備的，肯定還有未被發現的理論，所以造成了我們理解不了並且無法用宏觀物理來解釋量子世界，這也是EPR佯謬或者稱為EPR悖論，是1935年，由愛因斯坦（Einstein）、波多爾斯基（Poldosky）、羅森（Rosen）共同提出的，EPR是以姓氏字首縮寫命名，試圖對哥本哈根詮釋做出挑戰。

哥本哈根詮釋可以簡單的理解為，目前我們都是用宏觀物理來解釋和理解量子現象，是解釋不了的。而愛因斯坦認為，是可以解釋的，只是我們沒有發現量子世界中另外的理論，目前量子物理的理論不完備，所以解釋不了。

還有其他各種說法，1000個人可能有1000個解釋或者猜想，目前還沒有確切的答案。

通過前面一系列的實驗，相信大家對量子物理裡邊只講求概率，不講求規律的理論已經有所體會。

所謂量子，是構成物質的最基本單元，是能量，動量等物理量最小單位，不可分割。像電子、光子等構成物質的基本粒子，統稱為量子。

除了不可分割性，量子還具有不可克隆（複製）性。因為克隆一個東西首先要測量這個東西的狀態，但是量子通常處於極其脆弱的「疊加態」，一旦被測量就會馬上改變狀態，不再是原來那個量子了。

科學家們利用量子疊加開發出了大型量子計算機，實現並行計算。

量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當於一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，並按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算機的輸出結果。這種計算稱為量子並行計算，也是量子計算機最重要的優越性。

這能力有多強？舉個例子，如果我們分解一個300位的大數，用現在的計算機，需要15萬年，用量子疊加幫我們並行運算，只要一秒鐘就可以算出來。

當兩個量子形成疊加態，就是著名的「量子糾纏」現象了。

一對具有量子糾纏態的粒子，即使相隔極遠，當其中一個狀態改變時，另一個狀態也會即刻發生相應改變。

量子糾纏被愛因斯坦稱為「鬼魅般的超距相互作用」。

什麼叫做「量子通信」？

量子通信主要有兩種方式：

一種是利用量子的不可克隆性質生成量子密碼，他是二進位形式的，可以給經典的二進位信息加密，這種通信方式稱為「量子密鑰分發」。

量子密鑰分發以一個個單獨的光子作為載體，通過收發雙方通過隨機測量這些光子，選取共同測量方式的那些測量結果，就會形成一組量子密鑰。

如果中間有人竊聽，收發雙方的測量錯誤會瞬間上升，馬上就會察覺有竊聽的存在。所以一組成功生成的量子密鑰一定是排除了一切竊聽的絕對安全的密鑰，用它加密的信息也是不可破譯的。

第二種是利用量子糾纏用來傳輸量子信息的最基本單位——量子比特。

兩個處於糾纏態的粒子A和B，不論它們分開多遠，我們把其中一個粒子（A）和攜帶想要傳輸的量子比特的粒子（C）一起測量一下，C的量子比特馬上消失，但是B就馬上攜帶上了C之前攜帶的量子比特，我們把這個過程叫做「量子隱形傳態」。

根據量子力學「不確定性原理」，處於糾纏態的兩個粒子，在被觀測前，其狀態是不確定的，如果對其中一粒子進行觀測，在確定其狀態的同時（比如為上旋），另一粒子的狀態瞬間也會被確定（下旋）。

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