量子故事匯（上）

劉玉柱　蔡玉垚

什么是量子呢？量子并不是某一個具體的物質，它是一個物理學概念，最初是由德國物理學家普朗克提出的。19世紀后期，人們發(fā)現(xiàn)輻射能量是不連續(xù)的，只能取單位能量的整數(shù)倍。在微觀世界中，某些物理量的變化是以一個最小單位躍進的，而非連續(xù)的。上述說到的“基本單位”“最小單位”，這些最小物理量就稱為量子。例如：光子就是一個最小不可分的基本粒子，因此光子就是一種量子，也被稱為光量子。

這個觀點與宏觀世界中我們的認知有很大不同，可以想象為，在宏觀世界里我們可以將一根彈簧拉長1米，也可以拉長1×10-10米，只要在彈簧的彈性限度以內(nèi)，它就可以被拉出任意長度，但在微觀世界中，它只能被拉長成α（最小單位）米的整數(shù)倍，但不能是0.5α米、2.5α米。

在歷史上，科學家們曾就光是粒子還是波這個問題展開過論戰(zhàn)，而著名的托馬斯·楊（英國物理學家）的雙縫干涉實驗，證明了光的波動性，為這場論戰(zhàn)畫上了一個“句號”。

雙縫干涉實驗，即兩束相干光（兩個光的波動在傳播過程中保持著相同的相位差，具有相同的頻率，或者有完全一致的波形）在空間互相影響，用光屏承接后可獲得干涉圖樣，產(chǎn)生明暗相間的條紋。用光的波動性很容易解釋干涉現(xiàn)象，因此雙縫干涉實驗可以理解為是“光波”在進行實驗。隨著量子物理的誕生，粒子世界被知曉，物理學家們突發(fā)奇想，如果把光的雙縫干涉實驗對象換成電子，那將會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？

雙縫干涉示意圖

單獨電子干涉圖樣（供圖/劉玉柱）

物理學家使用電子發(fā)射源一個個地發(fā)射單個電子，電子穿過雙縫板，最后落到后面的屏幕上，屏幕會顯示電子的最終位置。在發(fā)射了幾百次后，出現(xiàn)了一個令人匪夷所思、極其“詭異”的現(xiàn)象，電子在屏幕上呈現(xiàn)出了和光的雙縫干涉一樣的明暗相間的區(qū)域！

單個的粒子是如何干涉的呢？當時的科學家認為，既然出現(xiàn)了干涉條紋，那就一定是波，而實驗中粒子是一個個被發(fā)射出去的，卻產(chǎn)生了明暗相間的干涉條紋，也就是說粒子產(chǎn)生了波一樣的性質！這不符合常規(guī)認知。

后來科學家波恩從統(tǒng)計學角度進行詮釋：粒子在屏幕上有一定的分布規(guī)律，例如在中間區(qū)域很密集，那就是在亮條紋，電子出現(xiàn)的概率大；而暗條紋處，電子到達那里的概率比較小。這種波從概率分布意義上，可以理解為是粒子在空間的概率分布，被稱為“概率波”。

在這之后，有科學家在1988年用低溫中子做了相同的實驗，也發(fā)生了類似的干涉的現(xiàn)象。大量的現(xiàn)象和研究表明，這不是某一特定粒子的性質，而是量子的性質。

科學家們對實驗結果非常好奇，于是在雙縫前安裝了探測裝置，試圖觀測粒子的運動軌跡。但在這次實驗中并沒有發(fā)生干涉現(xiàn)象，雙縫之后的屏幕上，粒子完完全全地落在兩條縫的縫后，這就是著名的“觀察者效應”。

埃爾溫·薛定諤是奧地利物理學家，量子力學奠基人之一，以其在量子物理學方面的成就而聞名世界。

他于1935年提出著名的思想實驗薛定諤的貓，指的是設想將一只貓關在裝有少量鐳（放射性元素）和氰化物（致命毒物）的密閉盒子里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發(fā)生衰變，會觸發(fā)機關，打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就會存活。根據(jù)經(jīng)典物理學，盒子里必將發(fā)生兩個結果之一；而根據(jù)量子力學理論，當盒子處于關閉狀態(tài)時，鐳處于衰變和未衰變兩種狀態(tài)的疊加，這只貓也就處于生與死的疊加狀態(tài)，而外部觀測者只有打開盒子進行觀測時才能知道確定結果。

薛定諤的貓巧妙地從宏觀尺度闡述了微觀尺度的量子疊加原理。而在此之后，薛定諤試圖運用熱力學和量子力學理論來解釋生命的本質，致力于探索生命的起源問題。

薛定諤的貓示意圖

針對這一奇怪的現(xiàn)象，當時的解釋是，粒子有通過第一條縫的概率，也有通過第二條縫的概率，它處在一個“疊加態(tài)”，這在量子力學中叫作態(tài)疊加原理，而人為觀測干擾了量子的“疊加態(tài)”狀態(tài)，因此“坍塌”為一種確定的狀態(tài)，這種狀態(tài)也被稱為本征態(tài)。

該如何理解“態(tài)疊加”呢？量子此時的“態(tài)”并非一個確定的“態(tài)”，它也有可能是其他的“態(tài)”，即多種“態(tài)”疊加在一起的狀態(tài)。對量子的物理性質進行測量，它既可能呈現(xiàn)出A狀態(tài)，也可能呈現(xiàn)出B狀態(tài)。而沒有對它進行測量時，它既不是A狀態(tài)也不是B狀態(tài)，而是同時為這兩個狀態(tài)的“疊加態(tài)”。在我們測量的一瞬間，疊加態(tài)坍塌為一個確定的本征態(tài)。

那么，為什么人為觀測會影響干涉實驗的實驗結果呢？這個問題的答案科學家們目前還沒完全弄清楚，這里提供一種最為大眾接受且最合理的解釋：微觀粒子的本質更像波，這種波并非機械波，但可以彌漫整個宇宙空間，且能量往往會固定到某個空間尺度上，從而形成波包，波包越聚集就越像粒子，從中也體現(xiàn)了波粒二象性。

測量之所以會導致疊加態(tài)消失，是因為測量儀器需要發(fā)射某些粒子去探測被測量粒子，被測量粒子原先的疊加態(tài)就會因為探測粒子的干擾而消失。如果我們不去探測這個波包，那波包和波本身就是一體的，波彌漫整個空間，因此粒子也可以同時處在多個空間位置。

相關學者認為，宇宙的本質其實都是微觀世界現(xiàn)象主導的，疊加態(tài)才是最普遍的現(xiàn)象，我們之所以無法理解量子疊加，是因為我們生活在一個疊加態(tài)已經(jīng)坍塌過的宏觀世界。宏觀世界尺度較大，幾乎會受到各種粒子的干擾而坍塌，最直接的證明就是分子尺度的疊加態(tài)。

早在19世紀末，經(jīng)典物理學就已建成了一個完整的理論體系，科技發(fā)展突飛猛進，不僅產(chǎn)生了廣泛的社會影響，也幫助人們更好地認識世界。因此我們也習慣于從經(jīng)典物理學的角度出發(fā)認知世界。而經(jīng)典物理學發(fā)展之初是基于宏觀世界歸納得出的，這種先入為主的思想導致我們很難理解疊加態(tài)。

但是，量子力學最神奇的地方不僅僅在于疊加態(tài)，而是它的“糾纏態(tài)”。奧地利物理學家薛定諤認為，這是量子力學有別于經(jīng)典物理學的獨特性質。

物理學家保羅-安托萬·莫羅拍攝到的量子糾纏（供圖/劉玉柱）

現(xiàn)在我們知道，每個單獨粒子都具有疊加態(tài)，如果兩個粒子之間存在著某種聯(lián)系，那這兩個粒子的疊加態(tài)還是獨立的嗎？答案揭曉，不是！如果一個單獨的粒子衰變成了兩個更小的粒子，朝不同的方向運動，雖然根據(jù)海森堡測不準原理，我們不能同時準確得知粒子的動量和位置，但根據(jù)動量守恒，兩個粒子的動量之合為0，即如果我們測得一個粒子的動量是-2千克·米/秒，那就可以知道在遠方的另一個粒子的動量就是2千克·米/秒。

也就是說無論距離多遠，這兩個粒子的聯(lián)系會一直存在，具體表現(xiàn)就是疊加態(tài)的相互纏繞。兩個粒子是彼此糾纏的粒子，會超越時空進行相互作用，這種相互作用的結果就是測量其中一個粒子，另一個粒子的疊加態(tài)就會同時“坍塌”，即我們也會得知它的信息。

為了更好地理解，我們可以假設現(xiàn)在有一雙鞋子，隨機放在兩個箱子里，它們之間處于“糾纏態(tài)”，現(xiàn)在將兩個箱子分別拿到地球的兩極，在不打開箱子的時候，兩個箱子里的鞋子既可能是左腳鞋子，也可能是右腳鞋子，它們處于左腳鞋子和右腳鞋子的疊加態(tài)。假設這時候兩個箱子分別運送到地球兩極，打開其中一個箱子發(fā)現(xiàn)是左腳鞋子，那我們立刻就能得知地球另一端的另一個箱子里放的是右腳鞋子。這就是量子的“疊加態(tài)”和“糾纏態(tài)”。

這一期我們了解了何為量子，量子的疊加態(tài)與糾纏態(tài)，下一期我們將跟隨愛因斯坦、波爾等物理學家展開一場關于量子力學的思想論戰(zhàn)。

（責任編輯/張麗靜 美術編輯/韋英章）