遇事不決，量子力學(xué)？帶你從零認(rèn)識量子

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原創(chuàng)：雷豐圖

校對：牧夫天文校對組

后期：王啟儒

責(zé)任編輯：王啟儒

你是否也曾有這樣的經(jīng)歷？

在某部科幻電影里，角色突然“瞬移”到另一個(gè)地方；或是通過“量子糾纏”實(shí)現(xiàn)超光速通信……這些反直覺的情節(jié)，總愛披上“量子力學(xué)”的外衣。

聽起來玄乎，但其實(shí)——它們并非全是空穴來風(fēng)。

誠然，在微觀世界，物理規(guī)律確實(shí)與我們熟悉的宏觀經(jīng)驗(yàn)處處“違和”：粒子可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，信息似乎能“隔空感應(yīng)”，能量也是一份一份地傳遞。而更奇妙的是，物理學(xué)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(shí)驗(yàn)，逼我們直面一個(gè)根本問題：現(xiàn)實(shí)，到底是什么？

而這一切迷思的起點(diǎn)，或許就藏在一個(gè)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(shí)驗(yàn)。

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(fā)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(kuò)散開來，并相互疊加——有些地方波峰+波峰，變得更亮（加強(qiáng)）；有些地方波峰+波谷，互相抵消（減弱）。

屏幕上最終出現(xiàn)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(shí)穿過了兩條縫，并形成了兩個(gè)“獨(dú)立”的源頭，進(jìn)而互相干擾形成干涉條紋（見下圖）。

現(xiàn)在你朝墻射出一堆子彈（或小石子）：每一顆子彈都是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)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(diǎn)帶——沒有干涉，沒有條紋。

所以，在經(jīng)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(tài)分布的亮帶（右圖）

Credit: CSDN qiuziqiqi

那光是粒子還是波呢

在19世紀(jì)之前，光似乎“站隊(duì)”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(jiān)信：光是由無數(shù)“光微?！苯M成的。這一觀點(diǎn)統(tǒng)治了科學(xué)界近百年。

但1801年，英國科學(xué)家托馬斯·楊做了一個(gè)簡單卻致命的實(shí)驗(yàn)：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(jié)果令人震驚：屏幕上出現(xiàn)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(shí)穿過兩條縫，像水波一樣彼此疊加，在某些地方增強(qiáng)，某些地方抵消。

故事本該就此結(jié)束……但物理學(xué)從不讓人安心。

20世紀(jì)初，愛因斯坦研究光電效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)：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(xiàn)得完完全全像個(gè)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(shù)進(jìn)步，科學(xué)家能把光源調(diào)得極弱——每次只發(fā)射一個(gè)光子。按常理，單個(gè)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(shí)令人震驚：剛開始，光子一個(gè)一個(gè)打在屏幕上，看起來隨機(jī)分布，像粒子。但隨著時(shí)間推移，成千上萬個(gè)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(gè)一個(gè)發(fā)射光子，每個(gè)光子仍然同時(shí)通過了雙縫，與自己發(fā)生了干涉，從而出現(xiàn)在“彈著點(diǎn)帶”之外的屏幕區(qū)域。

每次只發(fā)射一個(gè)光子的雙縫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可見最后明顯的干涉條紋，證明了每個(gè)光子與自己發(fā)生了干涉，也就是說，每個(gè)光子自己也是一種波。

Credit: Hitachi, Ltd 1994

探測對結(jié)果的影響

既然單個(gè)光子也能產(chǎn)生干涉條紋，那我們是不是可以干脆說：光其實(shí)就是波？

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

于是科學(xué)家想：能不能搞清楚，每個(gè)光子到底走了哪條縫？如果它真是波，就應(yīng)該“同時(shí)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(gè)光子究竟從左縫還是右縫通過。

結(jié)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(shí)驗(yàn)一模一樣。光子突然“老實(shí)”了，表現(xiàn)得像一個(gè)經(jīng)典粒子。這就像宇宙在說：“你不看我時(shí)，我可以是波；你一旦盯著我，我就只能是粒子?！?/p>

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(gè)粒子去“捅”它，這個(gè)過程不可避免地?cái)_動了光子，自然而然，被“捅”了的光子跟被捅之前的狀態(tài)當(dāng)然不一樣。

這也揭示了量子力學(xué)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(tài)為量子態(tài)。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(shí)走左縫和右縫的光子，瞬間“坍縮”到某一個(gè)確定的狀態(tài)（只走左縫 或 只走右縫）。這個(gè)過程，就叫 量子態(tài)的坍縮。這也就可以辟謠一些營銷號的宣傳，其實(shí)不是所謂“意識”改變了結(jié)果，而是測量這個(gè)行為本身干擾了光子的路徑，從而使結(jié)果不同。

對于單光子來說，被限制從一條縫中通過其實(shí)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(jié)果依然是干涉條紋。換句話說，它的量子態(tài)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(xué)家用電子重復(fù)雙縫實(shí)驗(yàn)——電子明明是“粒子”，有質(zhì)量、帶電荷。

結(jié)果？同樣出現(xiàn)干涉條紋！后來，人們甚至用原子、分子（如C??富勒烯）做實(shí)驗(yàn)，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(tài)。而由微觀粒子構(gòu)成的宏觀世界，看似是“確定性的”，實(shí)際上只是大量隨機(jī)的量子事件的統(tǒng)計(jì)平均。

所以，下一次當(dāng)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(shí)走過所有路徑”，才最終抵達(dá)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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