人們從發現主宰電、磁和光線的宏觀經典物理定律在微小的亞原子尺度不再適用以來，一個全新的世界圖像正在被人們慢慢接受。量子世界的圖像比絕大多數人，即使是那些專家認為的都要更豐富、更包羅萬象。所以在這裡我們將為你列舉量子力學本質的十個事實。可能會讓你重新審視你對我們這個世界的最小尺度的看法。
1.一切都是量子。
並不是說有些東西是量子的而有些不是，而是說所有的東西都遵循同樣的量子力學定律——只不過量子效應在比較大的物體上很難被觀察到而已。這就是為什麼量子力學在理論物理學發展史上出現的如此晚：直到物理學家不得不解釋為什麼電子可以在原子核周圍的殼上待著，量子力學才作為精確預測的理論閃亮登場。
圖解:元素鑥-177能級差異。注意，只有特定的、離散的能級是被允許的。圖源:M.S. Litz and G. Merkel
2.量子化並不一定意味著離散化。
根據定義，“量子”是離散的基本塊。但並不是微觀尺度上的所有東西都是離散和不可分割的。電磁波是由叫做“光子”的粒子組成，所以波可以被認為是離散的。原子核外的電子殼層只能有特定的離散半徑（因此也是核外電子離散的）。但即使在量子物理中，其它粒子的屬性也不見得總是會變得離散。例如，電子在金屬的導帶中的位置就不是離散的——電子可以連續地佔據導帶中的任何位置。再比如，（組成電磁波的）光子的能量值也不是離散的。同樣的，量子引力（如果我們最終成功理解了它的話）也不意味著時間和空間就必須要是離散的。（不過，另一方面來說，它們可能是的）
3.糾纏和疊加不一樣。
量子疊加態是指一個量子系統可以在同一時間處於兩個不同的狀態。不過一旦測量，我們總是得到兩者之一的特定的狀態，而不是疊加態。另一方面，糾纏指的是一個系統的兩個或者多個態之間的量子關聯，完全不同的東西。疊加與否不是絕對的。一個狀態是否是疊加態取決與你想測量到什麼。比如說，一個狀態可以是一個不同位置的疊加態，同時卻不能是不同動量的疊加態。所以疊加這個概念是模稜兩可的。但糾纏與否卻是絕對的，它是一個系統的固有屬性，並且是目前來說測量一個系統的量子特性的最好手段。(更多信息，請閱讀“糾纏和疊加之間的區別是什麼?”)
分束器，一種產生糾纏光子的機制。圖源：wikimedia。
4.沒有令人悚然的超距作用。
量子力學中沒有任何地方曾說過信息傳遞可以非局域，可以從一個地方消失又從另一個地方冒出來。糾纏本身的確是非局域的，但並沒有什麼用。它只是一種無法非局域傳遞信息的關聯作用。有些研究把兩個糾纏的光子相隔很遠的距離，然後測量其中一個光子的自旋。這時候並沒有任何信息會以光速更快的速度傳遞。實際上，如果你試圖把兩個觀測者的結果拿到一起來比較，那麼信息只能在光速的極限下傳播，不能更快！在量子力學的早期，什麼是“信息”曾經引起過巨大的困擾。但是今天我們知道量子力學可以完美地兼容愛因斯坦的狹義相對論了。也就是說，信息的傳遞速度不能比光速傳播得更快。
一個量子光學平臺。
5.量子物理是一個熱門的研究領域。
量子力學已是昨天的新聞。難以置信，這個理論起源於一個多世紀以前，但它的許多地方只有通過現代技術才能進行探測。量子光學、量子信息、量子計算、量子密碼學、量子熱力學和量子計量學都是最近興起的、目前非常熱門的研究領域。隨著這些技術帶來的新功能，重新燃起了人們對量子力學基礎研究的興趣。
6.愛因斯坦沒有否定量子力學。
與流行觀點相反，愛因斯坦不是量子力學的反對者，也不可能是——這個理論在早期是如此成功，甚至於任何嚴肅認真的科學家都不能忽視它。(事實上，他獲得的諾貝爾獎，即光電效應的發現，證明了光子既是粒子又是波，這是量子力學的基礎重大發現之一。)相反，愛因斯坦認為該理論是不完整的，並認為量子過程固有的隨機性一定會有更深層次的解釋。並不是說他認為隨機性是錯誤的，他只是認為這不是最終的解釋。為了更好地闡明愛因斯坦對量子力學的觀點，我推薦喬治·馬瑟的文章《愛因斯坦對量子力學的真正看法》
說明了位置和動量之間內在的不確定性關係。當其中一個被更準確地瞭解時，另一個就不太可能被準確地瞭解。圖源:wikimedia
7.都是關於不確定性的。
量子力學的核心假設說是存在一些成對的觀測量是無法被同時的精確觀測的。比如說一個粒子的位置和動量,這種對叫做“共軛變量”，這種同時精確測量的不可能性造成了量子理論和非量子理論的區別。在量子力學中，不確定性是固有的，不是由於實驗的侷限性造成的。不確定性最奇怪的表現之一就是能量和時間之間的不確定性。這意味著不穩定粒子（短半衰期）本質上有不確定的質量，考慮到E=mc2的話.像希格斯玻色子這種粒子，或者說W玻色子、Z玻色子、頂夸克這些粒子，由於它們的壽命短而有內在的1-10%的質量不確定性。
Z玻色子帶著一個有寬度的能量。
8.量子效應不一定非要小尺度
我們通常不會去觀察大尺度上的量子效應，因為它們之間的量子關聯是非常微弱的。然而，如果足夠小心地對待，量子效應也可以在大尺度上呈現出來。例如，光子在分開長達數百公里的過程中仍然糾纏在一起。在極低溫下發現的物質的一種簡併態叫做玻色-愛因斯坦凝聚，這個狀態中有多達幾百萬個原子糾纏形成整體。甚至，一些研究人員甚至認為暗物質可能就是橫跨整個星系的量子效應。
9.但它們在小尺度內占主導地位。
在量子力學中，每個粒子也是波，每個波也是粒子。一旦觀察到一個粒子的距離與相應的波長相當，量子力學的效應就變得非常明顯。這就是為什麼沒有量子力學就無法解釋原子和亞原子物理學，而行星軌道實際上是由量子行為決定的。
薛定諤的貓死了。圖源：wikimedia
10.薛定諤的貓死了，或者活著，兩種狀態不能同時
早期的量子力學並不能很好地解釋它，但是宏觀物體的糾纏量子行為衰減得非常快。這種“解糾纏”是由於不斷與外界環境恆定的相互作用造成的，恆定是指在外界環境相對溫暖和稠密的地方，如那些生命所必需的地方，解糾纏是無法避免的。這也就解釋了我們所認為的衡量標準並不需要有這麼一個人；簡單地與外界環境交互就可以了。這也解釋了為什麼把大的物體變成兩種不同狀態的疊加是非常困難的，而且疊加會衰減的很劇烈。迄今為止，被帶入位置疊加的最重物體是碳60分子，而更有野心的人計劃要對病毒或更重的生物(如細菌)做這個實驗。因此，薛定諤的貓曾經提出的悖論——量子疊加(衰變的原子)到一個大物體(貓)的轉移——得到了解決。
我們現在知道，雖然像原子這樣的小物體可以以疊加的形式存在很長時間，但一個大的物體會急劇地向一種特定的狀態迅速衰變。這就是為什麼我們從來沒有見過既死又活的貓。
1.維基百科全書
2.天文學名詞
3. forbes-Levi-Zoe
如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除
閱讀更多 天文在線 的文章
