量子故事汇（上）

刘玉柱　蔡玉垚

什么是量子呢？量子并不是某一个具体的物质，它是一个物理学概念，最初是由德国物理学家普朗克提出的。19世纪后期，人们发现辐射能量是不连续的，只能取单位能量的整数倍。在微观世界中，某些物理量的变化是以一个最小单位跃进的，而非连续的。上述说到的“基本单位”“最小单位”，这些最小物理量就称为量子。例如：光子就是一个最小不可分的基本粒子，因此光子就是一种量子，也被称为光量子。

这个观点与宏观世界中我们的认知有很大不同，可以想象为，在宏观世界里我们可以将一根弹簧拉长1米，也可以拉长1×10-10米，只要在弹簧的弹性限度以内，它就可以被拉出任意长度，但在微观世界中，它只能被拉长成α（最小单位）米的整数倍，但不能是0.5α米、2.5α米。

在历史上，科学家们曾就光是粒子还是波这个问题展开过论战，而著名的托马斯·杨（英国物理学家）的双缝干涉实验，证明了光的波动性，为这场论战画上了一个“句号”。

双缝干涉实验，即两束相干光（两个光的波动在传播过程中保持着相同的相位差，具有相同的频率，或者有完全一致的波形）在空间互相影响，用光屏承接后可获得干涉图样，产生明暗相间的条纹。用光的波动性很容易解释干涉现象，因此双缝干涉实验可以理解为是“光波”在进行实验。随着量子物理的诞生，粒子世界被知晓，物理学家们突发奇想，如果把光的双缝干涉实验对象换成电子，那将会发生什么现象呢？

双缝干涉示意图

单独电子干涉图样（供图/刘玉柱）

物理学家使用电子发射源一个个地发射单个电子，电子穿过双缝板，最后落到后面的屏幕上，屏幕会显示电子的最终位置。在发射了几百次后，出现了一个令人匪夷所思、极其“诡异”的现象，电子在屏幕上呈现出了和光的双缝干涉一样的明暗相间的区域！

单个的粒子是如何干涉的呢？当时的科学家认为，既然出现了干涉条纹，那就一定是波，而实验中粒子是一个个被发射出去的，却产生了明暗相间的干涉条纹，也就是说粒子产生了波一样的性质！这不符合常规认知。

后来科学家波恩从统计学角度进行诠释：粒子在屏幕上有一定的分布规律，例如在中间区域很密集，那就是在亮条纹，电子出现的概率大；而暗条纹处，电子到达那里的概率比较小。这种波从概率分布意义上，可以理解为是粒子在空间的概率分布，被称为“概率波”。

在这之后，有科学家在1988年用低温中子做了相同的实验，也发生了类似的干涉的现象。大量的现象和研究表明，这不是某一特定粒子的性质，而是量子的性质。

科学家们对实验结果非常好奇，于是在双缝前安装了探测装置，试图观测粒子的运动轨迹。但在这次实验中并没有发生干涉现象，双缝之后的屏幕上，粒子完完全全地落在两条缝的缝后，这就是著名的“观察者效应”。

埃尔温·薛定谔是奥地利物理学家，量子力学奠基人之一，以其在量子物理学方面的成就而闻名世界。

他于1935年提出著名的思想实验薛定谔的猫，指的是设想将一只猫关在装有少量镭（放射性元素）和氰化物（致命毒物）的密闭盒子里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关，打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就会存活。根据经典物理学，盒子里必将发生两个结果之一；而根据量子力学理论，当盒子处于关闭状态时，镭处于衰变和未衰变两种状态的叠加，这只猫也就处于生与死的叠加状态，而外部观测者只有打开盒子进行观测时才能知道确定结果。

薛定谔的猫巧妙地从宏观尺度阐述了微观尺度的量子叠加原理。而在此之后，薛定谔试图运用热力学和量子力学理论来解释生命的本质，致力于探索生命的起源问题。

薛定谔的猫示意图

针对这一奇怪的现象，当时的解释是，粒子有通过第一条缝的概率，也有通过第二条缝的概率，它处在一个“叠加态”，这在量子力学中叫作态叠加原理，而人为观测干扰了量子的“叠加态”状态，因此“坍塌”为一种确定的状态，这种状态也被称为本征态。

该如何理解“态叠加”呢？量子此时的“态”并非一个确定的“态”，它也有可能是其他的“态”，即多种“态”叠加在一起的状态。对量子的物理性质进行测量，它既可能呈现出A状态，也可能呈现出B状态。而没有对它进行测量时，它既不是A狀态也不是B状态，而是同时为这两个状态的“叠加态”。在我们测量的一瞬间，叠加态坍塌为一个确定的本征态。

那么，为什么人为观测会影响干涉实验的实验结果呢？这个问题的答案科学家们目前还没完全弄清楚，这里提供一种最为大众接受且最合理的解释：微观粒子的本质更像波，这种波并非机械波，但可以弥漫整个宇宙空间，且能量往往会固定到某个空间尺度上，从而形成波包，波包越聚集就越像粒子，从中也体现了波粒二象性。

测量之所以会导致叠加态消失，是因为测量仪器需要发射某些粒子去探测被测量粒子，被测量粒子原先的叠加态就会因为探测粒子的干扰而消失。如果我们不去探测这个波包，那波包和波本身就是一体的，波弥漫整个空间，因此粒子也可以同时处在多个空间位置。

相关学者认为，宇宙的本质其实都是微观世界现象主导的，叠加态才是最普遍的现象，我们之所以无法理解量子叠加，是因为我们生活在一个叠加态已经坍塌过的宏观世界。宏观世界尺度较大，几乎会受到各种粒子的干扰而坍塌，最直接的证明就是分子尺度的叠加态。

早在19世纪末，经典物理学就已建成了一个完整的理论体系，科技发展突飞猛进，不仅产生了广泛的社会影响，也帮助人们更好地认识世界。因此我们也习惯于从经典物理学的角度出发认知世界。而经典物理学发展之初是基于宏观世界归纳得出的，这种先入为主的思想導致我们很难理解叠加态。

但是，量子力学最神奇的地方不仅仅在于叠加态，而是它的“纠缠态”。奥地利物理学家薛定谔认为，这是量子力学有别于经典物理学的独特性质。

物理学家保罗-安托万·莫罗拍摄到的量子纠缠（供图/刘玉柱）

现在我们知道，每个单独粒子都具有叠加态，如果两个粒子之间存在着某种联系，那这两个粒子的叠加态还是独立的吗？答案揭晓，不是！如果一个单独的粒子衰变成了两个更小的粒子，朝不同的方向运动，虽然根据海森堡测不准原理，我们不能同时准确得知粒子的动量和位置，但根据动量守恒，两个粒子的动量之合为0，即如果我们测得一个粒子的动量是-2千克·米/秒，那就可以知道在远方的另一个粒子的动量就是2千克·米/秒。

也就是说无论距离多远，这两个粒子的联系会一直存在，具体表现就是叠加态的相互缠绕。两个粒子是彼此纠缠的粒子，会超越时空进行相互作用，这种相互作用的结果就是测量其中一个粒子，另一个粒子的叠加态就会同时“坍塌”，即我们也会得知它的信息。

为了更好地理解，我们可以假设现在有一双鞋子，随机放在两个箱子里，它们之间处于“纠缠态”，现在将两个箱子分别拿到地球的两极，在不打开箱子的时候，两个箱子里的鞋子既可能是左脚鞋子，也可能是右脚鞋子，它们处于左脚鞋子和右脚鞋子的叠加态。假设这时候两个箱子分别运送到地球两极，打开其中一个箱子发现是左脚鞋子，那我们立刻就能得知地球另一端的另一个箱子里放的是右脚鞋子。这就是量子的“叠加态”和“纠缠态”。

这一期我们了解了何为量子，量子的叠加态与纠缠态，下一期我们将跟随爱因斯坦、波尔等物理学家展开一场关于量子力学的思想论战。

（责任编辑/张丽静 美术编辑/韦英章）