說說微觀量子世界的基本概念

之前幾篇試圖澄清量子力學幾個誤區的文章在《科普時報》發表之後，有網友在我的博客下面留言詢問，能否從頭談一下，究竟什麼是量子？能否用更淺顯、更簡潔的文字科普一下什麼疊加態、量子糾纏等？

從網友的留言中不難看出，雖然量子力學創立至今100多年了，是20世紀以來與相對論並列的最大的科學成就。量子力學改變了人類的生活方式，比如近來的熱詞——「晶元」的科學基礎就是量子力學，可其最基本的概念卻幾乎不為普羅大眾所知，絕大多數人對於物理的認識，依然停留在牛頓的經典力學上。

我最初對量子力學感興趣，並開始關注進而研習，是在看經典科幻小說《銀河系漫遊指南》時，那艘宇宙飛船「黃金之心」利用量子力學中的量子糾纏，可以瞬間到達宇宙任何地方，「因為它裡面的一台驅動器，可以使得構成飛船的原子能夠與宇宙任何一個角落的原子互相糾纏，並通過控制概率，把發生的概率調到99.99%，進而使得飛船能夠航行到任意一個遙遠地方。」

由此漸漸地了解到，牛頓的經典力學世界觀只能解釋宏觀經典世界，卻無法解釋微觀世界——量子力學由此而生。

下面介紹一下量子力學中幾個最基本的概念：

首先，讓我們來看究竟什麼是量子。

量子是能量的最小單位，最初被稱為能量子，所有的能量一定是這個最小單位的整數倍。這和經典力學中的能量不一樣，在經典力學中，能量是連續的。而微觀量子世界中，能量是不連續的。現在所有和量子力學有關的東西都可能被叫做量子，如原子、原子核和電子等所有微觀世界中的粒子都是量子的，基本粒子沒有大小、沒有體積，而微觀世界就是建築在量子基礎上的，它們的規律是牛頓經典力學所無法解釋的。

其次，所有微觀量子世界中的粒子，都具有波粒二象性。

在量子世界中，首先「顛覆」牛頓經典力學的，是打破了「波」和「粒」界限的波粒二象性（wave-particle duality），即微觀粒子同時顯示出的波動性與粒子性。

人們之所以在宏觀經典世界（日常生活）中觀察不到物體的波動性，是因為它們的質量太「大」了。

而在量子世界中，基本粒子的質量和尺寸，微小到我們所習慣的日常生活經驗之外，以至於剛開始連世界頂級的物理學家，甚至包括愛因斯坦，都完全不能理解一些實驗的結果，比如著名的光學實驗——雙縫實驗，經過了長達一個世紀，才弄清楚波粒二象性是微觀粒子的基本屬性之一，並直接衍生出微觀粒子總是處於「既是此、又是彼」的疊加態。

關於量子疊加態（superposition state）

在經典力學中，最重要的特點是確定性，而量子力學中最重要的特點是不確定性。比如一個原子，如果不被測量的話，它的中心電子核的能量有多大不能確定，而電子的位置在哪裡、速度有多大也不確定，而一旦被測量了之後，才能被確定下來。

著名的「薛定諤的貓」就是試圖用日常宏觀經典世界中的案例來形容微觀量子世界中的量子疊加態。這那個著名的思想實驗里，由於量子的隨機性質，在觀察那個盒子內部之前，那貓就處於生存與死亡的疊加態。

讓我試著再用一個更淺顯的實景來比喻吧：假設在量子世界中有個酒吧，在這個量子酒吧里，假設每個粒子就是一個人。有一天你進去了。

我問你，你在酒吧里哪兒？你答覆，不知道；再問你，何時走？你回答，不知道。可你一轉眼就離開了量子酒吧。在這個量子酒吧里，作為一個粒子，你處於疊加態之中，真無法確定你具體在哪兒，何時離開，除非被觀察到……

上述的形容，肯定違背絕大多數人在日常宏觀世界裡所能得到的常識。但是，這卻是量子世界中的客觀現實。

在量子力學中的不確定性原理（uncertainty principle，也可翻譯為「測不準原理」）：粒子的位置與動量不可同時被確定，位置的不確定性越小，則動量的不確定性越大，反之亦然。

因此，表面上來看，微觀世界和我們所處的宏觀世界是不一樣的，宏觀世界是確定的，而量子態的世界是概率的（上帝擲骰子）、不確定的，這是量子世界的物理法則，跟我們的宏觀世界一樣，都是真實的存在。而為何在日常生活中觀察不到物體的波動性、疊加態那些量子世界的現象呢，是因為任何肉眼可見的物體的質量都太大了，它的不確定性已經小到完全可以忽略不計了。

總之，在「顛覆」牛頓經典力學的量子力學中，微觀粒子具有波粒二像性，即組成宏觀世界中物質的基本粒子，既可以是波，又可以是粒子。被觀測時是粒子，不被觀測時便是波。因此，科學家稱量子世界是「上帝擲骰子」的、概率的、不確定性的世界。

文章作者：陳思進