之前幾篇試圖澄清量子力學(xué)幾個誤區(qū)的文章在《科普時報》發(fā)表之后,有網(wǎng)友在我的博客下面留言詢問,能否從頭談一下,究竟什么是量子?能否用更淺顯、更簡潔的文字科普一下什么疊加態(tài)、量子糾纏等?
從網(wǎng)友的留言中不難看出,雖然量子力學(xué)創(chuàng)立至今100多年了,是20世紀以來與相對論并列的最大的科學(xué)成就。量子力學(xué)改變了人類的生活方式,比如近來的熱詞——“芯片”的科學(xué)基礎(chǔ)就是量子力學(xué),可其最基本的概念卻幾乎不為普羅大眾所知,絕大多數(shù)人對于物理的認識,依然停留在牛頓的經(jīng)典力學(xué)上。
我最初對量子力學(xué)感興趣,并開始關(guān)注進而研習(xí),是在看經(jīng)典科幻小說《銀河系漫游指南》時,那艘宇宙飛船“黃金之心”利用量子力學(xué)中的量子糾纏,可以瞬間到達宇宙任何地方,“因為它里面的一臺驅(qū)動器,可以使得構(gòu)成飛船的原子能夠與宇宙任何一個角落的原子互相糾纏,并通過控制概率,把發(fā)生的概率調(diào)到99.99%,進而使得飛船能夠航行到任意一個遙遠地方?!?/span>
由此漸漸地了解到,牛頓的經(jīng)典力學(xué)世界觀只能解釋宏觀經(jīng)典世界,卻無法解釋微觀世界——量子力學(xué)由此而生。
下面介紹一下量子力學(xué)中幾個最基本的概念:
首先,讓我們來看究竟什么是量子。
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(shù)倍。這和經(jīng)典力學(xué)中的能量不一樣,在經(jīng)典力學(xué)中,能量是連續(xù)的。而微觀量子世界中,能量是不連續(xù)的。現(xiàn)在所有和量子力學(xué)有關(guān)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,而微觀世界就是建筑在量子基礎(chǔ)上的,它們的規(guī)律是牛頓經(jīng)典力學(xué)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(jīng)典力學(xué)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(jīng)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(zhì)量太“大”了。
而在量子世界中,基本粒子的質(zhì)量和尺寸,微小到我們所習(xí)慣的日常生活經(jīng)驗之外,以至于剛開始連世界頂級的物理學(xué)家,甚至包括愛因斯坦,都完全不能理解一些實驗的結(jié)果,比如著名的光學(xué)實驗——雙縫實驗,經(jīng)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,并直接衍生出微觀粒子總是處于“既是此、又是彼”的疊加態(tài)。
關(guān)于量子疊加態(tài)(superposition state)
在經(jīng)典力學(xué)中,最重要的特點是確定性,而量子力學(xué)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,而電子的位置在哪里、速度有多大也不確定,而一旦被測量了之后,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(jīng)典世界中的案例來形容微觀量子世界中的量子疊加態(tài)。這那個著名的思想實驗里,由于量子的隨機性質(zhì),在觀察那個盒子內(nèi)部之前,那貓就處于生存與死亡的疊加態(tài)。
讓我試著再用一個更淺顯的實景來比喻吧:假設(shè)在量子世界中有個酒吧,在這個量子酒吧里,假設(shè)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?你答復(fù),不知道;再問你,何時走?你回答,不知道??赡阋晦D(zhuǎn)眼就離開了量子酒吧。在這個量子酒吧里,作為一個粒子,你處于疊加態(tài)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(shù)人在日常宏觀世界里所能得到的常識。但是,這卻是量子世界中的客觀現(xiàn)實。
在量子力學(xué)中的不確定性原理(uncertainty principle,也可翻譯為“測不準(zhǔn)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(tài)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(tài)那些量子世界的現(xiàn)象呢,是因為任何肉眼可見的物體的質(zhì)量都太大了,它的不確定性已經(jīng)小到完全可以忽略不計了。
總之,在“顛覆”牛頓經(jīng)典力學(xué)的量子力學(xué)中,微觀粒子具有波粒二像性,即組成宏觀世界中物質(zhì)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(xué)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