遇事不決，量子力學？帶你從零認識量子

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原創：雷豐圖

校對：牧夫天文校對組

后期：王啟儒

責任編輯：王啟儒

你是否也曾有這樣的經歷？

在某部科幻電影里，角色突然“瞬移”到另一個地方；或是通過“量子糾纏”實現超光速通信……這些反直覺的情節，總愛披上“量子力學”的外衣。

聽起來玄乎，但其實——它們并非全是空穴來風。

誠然，在微觀世界，物理規律確實與我們熟悉的宏觀經驗處處“違和”：粒子可以同時出現在兩個地方，信息似乎能“隔空感應”，能量也是一份一份地傳遞。而更奇妙的是，物理學家們故意把微觀的詭異邏輯“放大”到宏觀尺度，用“薛定諤的貓”這樣的思想實驗，逼我們直面一個根本問題：現實，到底是什么？

而這一切迷思的起點，或許就藏在一個看似極其簡單的裝置里——兩條狹縫，一束光，一塊屏幕。這就是著名的雙縫干涉實驗。

波 vs 粒子 從雙縫看世界的兩種方式

想象你面前有一堵墻，墻上開了兩條平行的狹縫。墻后面是一塊屏幕，能記錄打到它的“東西”。

如果你朝墻發射水波（比如用手指在水面劃動）：

水波穿過兩條縫后，會像兩圈漣漪一樣擴散開來，并相互疊加——有些地方波峰+波峰，變得更亮（加強）；有些地方波峰+波谷，互相抵消（減弱）。

屏幕上最終出現明暗相間的條紋，是波的專屬簽名。波是一種擾動，在我們的例子中，水波就同時穿過了兩條縫，并形成了兩個“獨立”的源頭，進而互相干擾形成干涉條紋（見下圖）。

現在你朝墻射出一堆子彈（或小石子）：每一顆子彈都是一個獨立的實體，它只能選擇從左縫或右縫穿過。久而久之，屏幕上只會在兩縫正后方形成兩條密集的彈著點帶——沒有干涉，沒有條紋。

所以，在經典世界里，波和粒子涇渭分明。

波穿過雙縫后形成干涉條紋（左圖），而粒子則會打出兩條正態分布的亮帶（右圖）

Credit: CSDN qiuziqiqi

那光是粒子還是波呢

在19世紀之前，光似乎“站隊”得很明確——它沿直線傳播，能被鏡面反射，行為酷似微小的彈丸。牛頓就堅信：光是由無數“光微粒”組成的。這一觀點統治了科學界近百年。

但1801年，英國科學家托馬斯·楊做了一個簡單卻致命的實驗：他讓一束光穿過兩條靠得很近的狹縫，投射到后面的屏幕上。

結果令人震驚：屏幕上出現了明暗相間的條紋——典型的干涉圖樣！這只能用“光是一種波”來解釋：光波同時穿過兩條縫，像水波一樣彼此疊加，在某些地方增強，某些地方抵消。

故事本該就此結束……但物理學從不讓人安心。

20世紀初，愛因斯坦研究光電效應時發現：光打在金屬上，會像“一粒一?！钡哪芰堪粯影央娮犹叱鰜?。這些能量包無法用波動理論解釋——它們表現得完完全全像個粒子。愛因斯坦稱其為光子，并因此獲得諾貝爾獎。

于是問題來了：光既是波，又是粒子？

隨著技術進步，科學家能把光源調得極弱——每次只發射一個光子。按常理，單個光子作為“粒子”，只能選擇左縫或右縫穿過，最終在屏幕上形成兩條亮帶，就像子彈一樣。

可事實令人震驚：剛開始，光子一個一個打在屏幕上，看起來隨機分布，像粒子。但隨著時間推移，成千上萬個光子累積起來，竟然形成了干涉條紋！也就是說，即使我們一個一個發射光子，每個光子仍然同時通過了雙縫，與自己發生了干涉，從而出現在“彈著點帶”之外的屏幕區域。

每次只發射一個光子的雙縫實驗數據，可見最后明顯的干涉條紋，證明了每個光子與自己發生了干涉，也就是說，每個光子自己也是一種波。

Credit: Hitachi, Ltd 1994

探測對結果的影響

既然單個光子也能產生干涉條紋，那我們是不是可以干脆說：光其實就是波？

別忘了，愛因斯坦早已證明：光在與物質相互作用時（比如打出電子），表現得完完全全像個粒子——能量一份一份地傳遞，無法用連續的波解釋。

于是科學家想：能不能搞清楚，每個光子到底走了哪條縫？如果它真是波，就應該“同時走兩條”；如果是粒子，就只能選一條。于是他們在雙縫旁邊裝上了精密的探測器，試圖記錄每一個光子究竟從左縫還是右縫通過。

結果，干涉條紋消失了！？！屏幕上不再有明暗相間的條紋，而是變回了兩條亮帶——和子彈實驗一模一樣。光子突然“老實”了，表現得像一個經典粒子。這就像宇宙在說：“你不看我時，我可以是波；你一旦盯著我，我就只能是粒子。”

但請注意——這里的“看”，并不是靠人眼或意識，而是指任何能獲取“路徑信息”的物理相互作用。比如，為了探測光子，你可能需要用另一個粒子去“捅”它，這個過程不可避免地擾動了光子，自然而然，被“捅”了的光子跟被捅之前的狀態當然不一樣。

這也揭示了量子力學的鐵律：在未被測量前，微觀粒子并不具有確定的“路徑”或“位置”；它以概率波的形式存在，遍歷所有可能，我們稱這種狀態為量子態。而測量，迫使它“做出選擇”。

回到我們的例子，探測器的“捅”使同時走左縫和右縫的光子，瞬間“坍縮”到某一個確定的狀態（只走左縫 或 只走右縫）。這個過程，就叫 量子態的坍縮。這也就可以辟謠一些營銷號的宣傳，其實不是所謂“意識”改變了結果，而是測量這個行為本身干擾了光子的路徑，從而使結果不同。

對于單光子來說，被限制從一條縫中通過其實也可以把那條縫視為新的單光子光源，因此如果你在它前面再擺一對雙縫的話，最終的結果依然是干涉條紋。換句話說，它的量子態被雙縫又刷新了。

Credit: Discovery+， Ashley Hamer

所以宇宙是什么樣的

1961年，物理學家用電子重復雙縫實驗——電子明明是“粒子”，有質量、帶電荷。

結果？同樣出現干涉條紋！后來，人們甚至用原子、分子（如C??富勒烯）做實驗，依然如此。

這意味著：所有微觀粒子都具有波粒二象性，也就是量子態。而由微觀粒子構成的宏觀世界，看似是“確定性的”，實際上只是大量隨機的量子事件的統計平均。

所以，下一次當你看到陽光穿過樹葉的縫隙，不妨想一想：那些光子，是否也在以某種神秘的方式，“同時走過所有路徑”，才最終抵達你的眼睛？

『天文濕刻』 牧夫出品

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蝴蝶星云IRAS 04302

Image Credit: NASA, ESA, CSA, Webb; Processing: M. Villenave et al.

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