量子世界的十個事實
氫原子波函數。 圖片來源：wikimedia
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認為的都要更豐富更包羅萬象，即使是那些專家。所以在這裡我們將為你列舉量子力學本質的十個事實。或許會讓你重新審視你對我們這個世界的最小尺度的看法。
1 萬物皆量子
不是有些東西是量子的而別的就不是，而是所有東西都遵從相同的量子力學定律，只不過量子效應在比較大的東西上非常難觀測到而已。這也是為什麼量子力學在理論物理發展史上出現得如此之晚（相比於牛頓力學）。直到物理學家不得不去解釋為什麼電子們可以乖乖地呆在原子核外的殼層中時，量子力學才作為精確預測的理論隆重登場。
鑥- 177的能級差。注意這裡只有一些特殊的，離散的能級是被允許的。圖片來源: 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。比如說，一個在金屬的導帶中的電子的位置就不是離散的——電子可以連續地呆在導帶中的任何位置。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，話又說回來，還是可能是的=。=#）
3糾纏不等於疊加
所謂量子疊加態就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，絕不會是疊加態。糾纏指的是一個系統的兩部分或者多部分之間的量子關聯，完全不一樣的東西。疊加與否不是絕對的。一個狀態是不是疊加態取決與你希望測量到什麼。舉個例子，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。所以疊加這個機率是模稜兩可的。但糾纏與否卻是絕對的，它是一個系統的內在屬性，並且是目前來說測量一個系統的量子特性的最好手段。
分束器，產生糾纏光子的一種機制。圖片來源：wikimedia
4沒有幽靈般的超距作用
量子力學中沒有任何地方曾說過資訊傳遞可以非局域，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，但是並沒有什麼用。它只是一種無法非局域傳遞資訊的關聯作用。有些研究把兩個糾纏的光子分離到一個很遠的距離，然後測量其中一個光子的自旋（測量之後這個光子的自旋會從疊加態掉到一個特定的自旋態，而同時由於兩個光子互相糾纏，另一個光子的自旋態也會改變——譯者注）。這時候並沒有任何資訊會以光速更快的速度傳遞。事實上，如果你試圖把兩個觀測者的結果拿到一起來比較，這個資訊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「資訊」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，資訊不能比光速傳播得更快。
一個量子光學平台。圖片來源： http://cqc2t.org/node/6026.
5量子物理仍然是一個活躍的研究領域
不像量子力學已經是昨日黃花。難以置信地，作為一個起源於一個世紀以前的理論，它的許多地方卻只有運用現代的技術才能得以探測。量子光學，量子資訊，量子計算，量子密碼學，量子熱力學和量子計量學都是最近才興起的並且目前仍然十分活躍的研究領域。隨著這些技術帶來的新功能，人們對量子力學基礎的研究興趣又被重新點燃了。
6愛因斯坦沒有否定量子力學
和流行的觀點相反，愛因斯坦並不是一個量子力學的反對者，也不可能是——這個理論在早期的時候成功得一塌糊塗，任何一個嚴肅的科學家都不可能無視它。（事實上，他的諾貝爾獎工作——光電效應的發現，證明了光子即表現為粒子又表現為波。這正是量子力學的基礎重大發現之一）不過愛因斯坦堅持這個理論是不完備的，並且相信量子過程中的內在隨機性一定有一些更深層次的解釋。這並不是說他認為隨機性是錯的，他只是認為這不是故事的結局。
描繪了位置和動量的內在不確定性，當你越精確地知道了其中一個，另一個就會不可避免地變得更不精確。 圖片來源：wikimedia
7全都是關於不確定性
量子力學的核心假設說，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全部區別。在量子力學中，不確定性是基本而絕對的，不是由於實驗的局限性造成的。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=mc^2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，都因為它們的短壽命而有內在的1-10%的質量不確定性。
注意Z玻色子帶著一個有「寬度」的能量。 圖片來源：http://arxiv.org/abs/hep-ex/0509008
8量子效應不一定非要小尺度
我們通常在大尺度上不會觀察到量子效應是因為量子關聯是非常脆弱的。不過，如果特別小心的處理，量子效應是可以在大尺度上呈現出來的。例如光子可以分開上百公里仍然處於糾纏態。在極低溫下可以實現一種簡併的物質態叫做玻色愛因斯坦凝聚，這個狀態中有超過數百萬的原子相互糾纏形成的整體。另外，甚至一些研究者相信暗物質可能就是橫跨整個星系的量子效應。
9但它們主導小尺度
在量子力學中,每個粒子都是波，每個波也是一個粒子。當你在跟粒子的波長差不多的尺度上觀測這個粒子時，量子力學的這個效應會表現的非常明顯。這也是為什麼原子和亞原子物理學離開了量子力學就不能被理解的原因。比如說早些年類比成行星軌道的電子軌道曾經被認為是不穩定的，但實際上由於量子效應它並不會發生改變。
薛定諤的貓已死。 圖片來源：wikimedia
10薛定諤的貓已死，或者活著，但不是同時
量子力學建立早期時，人們還沒有很好的意識到宏觀物體的糾纏量子行為會衰減得非常劇烈。這種「解糾纏」是由於和外界環境恆定的相互作用引起的。恆定是指這裡的外界環境是相對溫暖和稠密的，這是生命必需，而這就會導致解糾纏的不可避免。這個也順便說明了，量子力學中所謂的觀測和測量並不是說一定需要有一個人，簡單的和外界環境的相互作用就可以了。這也就解釋了為什麼讓大物體進入兩個不同狀態的疊加態如此困難並且疊加衰減得非常劇烈了。迄今為止被帶進疊加態的最重的東西是一個碳60分子。與此同時一些更有野心的實驗正在計畫把病毒甚至細菌這種活著的生物帶進疊加態。因此，曾經被提出來的薛定諤的貓悖論，其實已經被解決了。
總結一下，雖然像原子這種小物體可以在量子疊加態中存在很長的時間，但一個大物體卻會急劇地向一個特定的狀態衰變。這就是為什麼實際上我們從來都看不到一隻又死又活的貓。
英文作者： Sabine Hossenfelder
英文來源：Forbes Asia
編譯：sym
校對：皮蛋瘦肉粥
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