量子不神秘，也非玄学

自从中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习的消息播出之后，量子科技激起了一波话题热潮；并且，量子科技相关股票，也迎来了一波上涨。不论是投机的还是投资的，都在这一波热潮中有所获益。

不过，对量子世界的浅薄认知，也使得很多人将量子与哲学、玄学联系在一起，似乎懂了量子科学，就打开了新世界的大门。

本文试图通过浅显的解释，带领各位读者认识目前科学家们探索的量子世界，揭开量子世界的玄学面纱。

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首先解释一下量子的概念，它与“经典”相对应。比如量子力学之于经典力学，比如“微观”之于“宏观”。它描述的是原子及比原子还小的微观世界的物理现象，研究的是质子、中子、电子、夸克、光子等微小粒子。

在量子世界中，传统的观测手段都失去了效用，科学家们尚没有找到更为有效的方法来实现对量子世界的观察。

主要原因就在于，我们目前能够实现的所有观察手段（从天文望远镜对宇宙的观察，到电子显微镜对分子级物质的观察），都是通过光、电子等作为媒介，与被观察对象发生反应，从而实现观察的目的。比如，我们观察一辆火车的运动，是火车将光漫反射到我们的眼睛内，然后经过神经反应，在我们的大脑中形成影响。

整个过程中，光（或者叫做光子）实现了信息的传递，但对火车并没有什么影响。所以，不论多少光子打在火车上，并经过火车反射到我们眼睛中，都不会影响火车的运动轨迹。

经典力学因此会在宏观世界中成立。

但是，在量子世界中，在对光子、电子、甚至夸克的研究中，科学家们并没有找到既可以对光子、电子进行观察，又不会影响它们的状态的媒介。

甚至，很多科学家相信，量子世界中的很多粒子已经接近不可再分，我们永远不会找到可以对量子世界任意观察，却不会改变其状态的媒介。

基于此，人类对量子世界的认识，可能会永远停留在盲人摸象阶段：发现的所有现象都是事实，但永远也不会看到量子世界内部的真实场景。

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想要对量子世界有相对比较正确的认知，我们首先要做的就是忘记义务教育中关于原子分子的知识。

上图所示为碳原子模型，它质子、中子和电子的形状是球形，是粒子状态；但在量子世界中，却并非如此。科学家们发现，原子、电子、光，既有粒子的属性，又有波的属性。

想象一下，碳原子内部是一个原子核，外部的电子则是以波的形式存在的混沌状态，只有检测的时候，它才会以粒子的形式从轨道的某一处显现出来；平时则是以波的形式存在在轨道的任意一点。

PS：需要说明的是，任何物质都具有波粒二象性的特征。

1924年，德布罗意基于这一现象提出了物质波的概念，即一切宏观粒子都具有与本身能量相对应的波动频率或波长，也叫德布罗意波长。

λ=h/p，其中p：动量， λ：波长，h：普朗克常量，h=6.626×10-34m2·kg/s；

它将粒子和波的特性统一起来，并告诉我们，现实世界中的一草一木，除了有体积、质量、速度等粒子的属性外，也具有波长、频率等波动的属性。

只不过波长相比其他的宏观尺度太小，我们无法观测罢了。

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科学家们在追寻粒子的波粒二象性本质的时候，发现了一个新的问题，就是：没有办法同时确定电子的位置与动量（p=mv），即，在其他条件不变的情况下，当你确定电子的位置时，就无法确定它当时的速度，反之亦然。

换句话说，在测量之前，电子可能会出现在任何位置，但在测量的一瞬间，电子坍缩为某一个确定的位置。这被称为波函数坍缩。

结合波粒二象性，或许就比较好理解：在测量之前，电子以波的形式存在于它所有可能的区域；而在测量的一瞬间，电子就会以粒子的状态出现，并被我们测量到。电子的测量之前的状态被称为电子的量子“叠加态”。

1992年，物理学家施特恩和格拉赫做了一个实验，他们将一束银原子射线穿过不均匀的磁场，最后观测到射线分成两束。这说明同类原子也存在不同的特质。粒子的这一特质，被称为自旋。

自旋是粒子的内禀性质，与生俱来，不可改变。很多人将它比作是地球的自转——有点类似但完全不同。地球自转是连续的且可持续的，但粒子的自旋却是量子化的。单一原子、电子或光子，都带有正半奇数（1/2、3/2等等）或含零正整数（0、1、2）的自旋。

如果把自旋理解为粒子的自转，就会掉进很大的坑，毕竟当我们把它比作自转时，就忽略了粒子所具备的波的特性。

同样，自旋也服从“叠加态”。测量前，自旋状态为“+1/2”和“-1/2”的概率可以各为50%，也可以是80%和20%，49%和51%，就像水塘里的鱼一样，你永远猜不透它现在在哪里。

关于叠加态的解释，量子理论界大佬薛定谔始终无法接受，于是提出了“薛定谔的猫”的思想实验，以说明其荒谬性。

薛定谔本想借此说明，量子理论中的“叠加态”是不存在的；结果却讹传成，在量子世界中，猫可以同时处于生和死两个状态。

结果，玄学大佬们不听，认为薛定谔的猫就是方生方死，方死方生……

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针对量子世界中的种种反直觉的现象，科学家们起了争执。他们分成了两派，一派是以波尔为代表的哥本哈根学派，人数占优，另一派是爱因斯坦、薛定谔、德布罗意。争论的核心则是，量子世界中的不确定性原理。

爱因斯坦相信，一定存在某种隐变量，无法感知又确实存在，是它的影响导致了“叠加态”看似成立，一旦我们找到了这个隐变量，我们就能很轻易知道测量前的粒子状态。

但哥本哈根学派以及后续的很多试验告诉我们，这个“隐变量”不存在。

为了驳斥哥本哈根学派，爱因斯坦和另外两位科学家设计了一个新的思想实验：一个不稳定的大粒子衰变成两个小粒子（A和B），分别飞向两个不同的方向，并假设A自旋为“上”，那么根据守恒定律，无论相距多远，只要没有外界干涉，它们的速度永远相等反向，自旋取向也永远相反。

此时，由两个人（甲和乙）分别对两个例子测量，其中，甲可以精确测量A的速度，根据能量守恒，就可以知道B的速度，同时，乙可以精确测量B的位置。这样，就违背了“不确定原理”。

爱因斯坦的这个思想实验中的两个粒子相互纠缠的现象，被后来的科学家通过实验证实，的确存在量子纠缠现象：处于相互纠缠的两个粒子，一旦测量其中一个粒子的状态，另一个粒子似乎总能瞬间“感知”到第一个粒子的状态，并调整到与之相对应的状态，无论距离相隔多远。

量子纠缠，已经到了目前科学研究的前沿领域，尚没有一个令人满意的解释。

根据科学家能解释的划归到科学领域，科学家解释不了的划归到玄学领域的原则；量子纠缠也肯定和玄学、精神世界、灵魂等等有关系。

关于量子纠缠的探索仍在进行，但基于量子理论的一些应用，比如量子计算机、量子通信正在不断取得突破。

有一段时间经常会看到量子时代到来后，传统的计算机将被量子计算机所取代……

嗯……也别想太多，从目前来看，量子计算机在某种程度上可以弥补当前经典计算机的一些不足，但是做不到替代，它的应用领域不会是终端消费者。如果有人告诉你，未来人人一台量子计算机，那基本上就是忽悠。

不过，量子通信技术的实现，对国家和个人的信息安全，确是有极其重要的意义。它会让互联网泄密、监听成为历史。

至于具体的技术原理和实现手段，太复杂，作者也没有完全看明白，就不说了。