量子世界的5种诡异现象,量子实验诡异现象

GGV有话说：

尼尔斯·玻尔

曾说，“如果有人在第一次和量子理论打交道时没有感到震惊，那他一定无法理解它”。就连理查德·费曼这样的天才，都很有把握地说，“没有人懂量子力学”。

这或许是因为，对于生活在日常世界的我们来说，量子世界实在太反直觉了。量子领域出现了许多诡异的现象，让我们无法理解，甚至难以相信。

但正是这种令人难以置信的理论，却成了目前最精准的理论之一，构筑了现代物理学的基石。

今天的GGView，就介绍5种诡异的量子现象，让我们前往量子领域一探究竟。

在我们日常生活中，物体看起来都是连续变化的，比如从高处坠落的小球，一飞冲天的火箭，不断流淌的溪水……但从微观世界的粒子角度来看却并非如此。对微观粒子来说，变化的物理量存在一个“最小值”，这就好像爬梯子或者下楼梯，只存在一阶一阶的状态，而每一级台阶就是变化的最小量。

1900年，马克斯·普朗克（Max Planck）发表黑体辐射公式，假设电磁波（比如光）的能量不是连续发出的，而是以离散的“量子”形式释放，提出了能量的量子化假设。量子化开始仅作为一种数学技巧应用，但它却能够解释许多物理现象，成为量子力学中的基础概念。

1935年，物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schr?dinger）为了质疑量子力学对叠加的诠释，提出了“薛定谔的猫佯论”。在他的思想实验中，他将微观的叠加态原理推广到了宏观领域。从直觉出发，猫处于“死”和“活”的叠加态听起来就十分荒谬。

然而有意思的是，它后来恰恰成了解释叠加的最著名例子。尽管我们从日常经验出发很难理解这个概念，但对微观粒子来说，同时处于不同的状态是可能的。如果我们把粒子比作玻璃珠，这颗玻璃珠放在碗中来回摇摆，在经典世界中，它要么出现在左边，要么出现在右边，而对粒子来说，它可能同时出现在左右两边，这就是叠加。

这一现象对量子信息技术非常重要。在经典计算机中，一个比特的状态只能是0或1，但量子比特却允许0和1的同时存在。利用这种原理，通过巧妙的算法设计，就可以达到快速计算的能力，这也是量子计算机的基础。

事实上，叠加的状态是非常脆弱的。如果用薛定谔的猫的例子来解释的话，人们在打开盒子的一瞬间，猫的“既生又死”的状态就会因为人的观察而不复存在——它要么是活的，要么是死的。

在量子力学最著名的双缝实验中，如果向双缝发射电子，在没有观测的情况下，电子会处于“同时穿过左缝和右缝的叠加态”，从而在屏幕上产生干涉条纹。然而当观测者存在时，干涉条纹也就消失了，因为观测本身干扰了系统，退相干的现象就此产生。

目前，一些高精度的探测器，例如LIGO中使用的干涉仪，都是建立在量子性上，而退相干现象的出现正是这类精密仪器共同面临的主要问题之一。因为退相干的存在，量子计算机对运行环境的要求十分苛刻，这也是量子计算机发展中需要解决的关键问题之一。

量子力学中的另一种最具代表性的诡异现象被称为纠缠，这是一种连爱因斯坦都无法理解的现象，他称之为“鬼魅般的超距作用”。

简单理解，纠缠就好像是把量子“连接”在一起，无论相距多远，即使你把一个粒子放在地球上，另一个粒子送去另一个星球，它们之间也能保持着一种特殊的关系，并且瞬间共享它们的某些状态。

粒子在产生这样的相互作用后，它们之间就成了不可分的整体系统。这就好比，在课程表中只有语文课和数学课，那么它们在某种意义上也是“纠缠”的，只要知道其中一门课程的时间，就可以推算出另一门课的安排。类似的，在纠缠的量子系统中，通过其中一个的状态，就可以知道其他纠缠的粒子的状态。因此这一现象在量子计算、量子通讯中发挥了重要作用。

为了理解隧穿，我们可以把势垒想象成一座山。一个自身能量小于山峰势能的微观粒子位于山的左侧，按照经典世界的经验，这个粒子绝对爬不到右侧。但是当你过段时间再去观察这个粒子，你可能会发现它通过“穿山而过”成功抵达了右侧，这种“穿越”的现象就叫作量子隧穿效应。

隧穿是微观世界特有的现象，正如大卫 · 格里菲斯（David Griffiths）教授在他的量子力学教材中所写，“即使粒子也有被比自身能量低的势垒反射回来的概率，我也不建议你开车驶下悬崖指望量子力学来救你”。

因为隧穿效应的存在，放射性元素能够发生α衰变，从而带来了自然中的元素演变。除此之外，隧穿效应也是现代电子学技术的基础之一，促进了电子显微镜的发展，比如扫描隧道显微镜就是根据隧穿效应的原理而制成的。

#创作团队：

选题：杭州小张

策划：Takeko

文字：原理实习生 静桑、辰依酱、陈陌

编辑：Takeko、hzxz

图片设计：毛尖尖

动画视觉：毛尖尖

#参考来源：

Monroe, C. , et al. "A "Schrdinger Cat" Superposition State of an Atom." Science 272.

（美）大卫·格里菲斯 著. 量子力学概论（第二版）. 贾瑜等译. 北京：机械工业出版社，2009

#图片来源：

封面：NSF

背景：tanakawho under cc by via flickr

地球：kristian fagerstro?m under by sa via flickr

星球：Tyrogthekreeper under by sa via wikimedia commons

*“本文经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）”

在研究量子世界的过程中，人类发现了哪些奇怪的现象？倘若一个科学家可以让你的大脑保持永久活性，并且可以将你的神经末梢与电脑连接起来，通过程序给大脑重拟一个虚拟的宇宙和世界，这时大脑要如何才能发现自己正在经历的一切并不是真实的呢？

从本质上来说，我们对于这个世界的认知，都是大脑将一系列所接收到的生物电信号处理过后的结果。举个例子来说，当我们的眼睛接收到了某个物体的可见光后，视觉系统会自动生成特定的生物电信号，这些信号会通过神经系统传递给大脑的相关区域，接着大脑会处理这些信号，最后最呈现了我们所看见的物体。

回到开头提出的疑惑，其实人类的大脑是没有办法区分这些生物电信号到底是真实的还是虚拟的，这也就意味着，如果有个特别精妙的系统通过电脑程序给人类的大脑模拟出了各种生物电信号，重拟了一个世界，而身在其中的人类只会认为自己所处的世界是真实的。

所以我们有足够的理由来怀疑我们现处的世界是否真实。事实上，现在有不少的人都持有，宇宙有可能是一套计算机程序模拟出来的观点。为什么说宇宙是虚拟的呢？对此，持有这种观点的研究者们指出这2种现象，并点明这些现象都令人产生怀疑，下面我们来了解了解。

这两种现象都是来自于量子世界的强烈暗示，第一种现象是，在量子世界里，所有物理量都不能够被无限细分，一切都存在于一个不可分割的基本单位，就是普朗克常量。如果超过了普朗克时间或者普朗克长度，所有的物理定律都会失去意义。

研究者认为这与计算机程序十分相似，计算机程序为我们呈现的画面，其实都是一个个像素所构成的。如果我们还要将像素细分，那么就已经超出了计算机程序的能力范围，这样的操作也是无意义的。

第二种现象就是量子纠缠了，对于两个处于纠缠态的量子而言，无论它们相隔的距离有多么遥远，始终会存在一种妙不可言的联系，只要其中一个发生了变化，另一个也会瞬间出现相应的变化。

这般奇怪的现象，就算是爱因斯坦也无法对此现象做出合理的解释。然而，如果宇宙真的是一套计算机程式设定的虚拟世界，那么这个现象就可以用计算机来解释了。

虽然还会有不少人怀疑宇宙的真实性，认为宇宙很可能是一套完整的计算机程序。不过对于宇宙是否真实对于我们来说并没有那么重要，真真假假，并不会让我们的生活有所不同，生活仍然会继续。既然我们的大脑无法分辨这种真假，那么对于它来说所经历的一切均是真实的！

量子力学的诡异现象量子力学也是自然科学史上被实验证明最精确的一个理论，但是量子的观念，没有人能够理解。我说的没有人能够理解，绝不是指像我们这个层次的人，而是说连量子力学的创始人都不能理解。

那么量子力学最不好懂的是些什么问题呢？我先把量子力学中人们最不好懂的东西介绍给大家，而最不好懂的东西最后恰好是证明了：意识不能被排除在客观世界之外。一定要把意识加进去你才能够认识搞懂它。

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态叠加与坍缩

量子力学的第一个诡异现象叫做态叠加原理和坍缩。

为了解释量子力学观念，我先说说普通人的日常经验。一般人认为客观物体一定要有一个确定的空间位置，这种存在，是不以人的意志为转移的、是客观的。比如说，我的女儿现在在客厅里面，或者说我的女儿现在不在客厅里面，两者必居其一。

【女儿可以既在又不在客厅里吗？】

但在量子力学里就不一样了。量子力学就像说你的女儿既在客厅又不在客厅，你要去看这个女儿在不在，你就实施了观察的动作。你一观察，这个女儿的存在状态就坍缩了，她就从原来的，在客厅又不在客厅的叠加状态，一下子变成在客厅或者不在客厅的唯一的状态了。

所以量子力学怪就怪在这儿：你不观察它，它就处于叠加态，也就是一个电子既在A点又不在A点。你一观察，它这种叠加状态就崩溃了，它就真的只在A点或者真的只在B点了，只出现一个。

那有人就会说了：这是诡辩，你怎么知道电子不观察它的时候，它既在A点又不在A点呢？

好，这就是量子力学发展过程中，很多实验确证的事情，其中一个最著名最重要的实验，就是干涉实验证实。

【电子同时在两处】

电子在没有观测的时候，没有确定的状态。所以这件事是量子力学最诡异的事情。懂了这个，就懂了量子力学最诡异的东西，而且随后我们就能来证明：量子力学离不开意识，意识是量子力学的基础。

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单体的叠加态：薛定谔的猫

刚才说的是量子力学第一个诡异之点，现在我们来看看这个诡异之点往下推论，能够推出什么结果。最后结果会使大家认识到，意识是量子力学的基础，物质世界和意识不可分开。

这个实验是量子力学的创始人薛定谔提出的，被称为“薛定谔的猫”。

【既死又活的叠加态猫】

现在我来说薛定谔的实验是什么：把一只猫放进一个封闭的盒子里，然后把这个盒子接到一个装置上，这个装置包含一个原子核和一个毒气设施。原子核有百分之五十的可能性发生衰变，衰变的时候就会发射出一个粒子来，这个粒子一发出来就会触发毒气设施，毒气一触发就会杀死这只猫，就是说猫也处于这种既死又活的迭加状态。这是他想象中的一个实验。

这个问题一提出来，物理学家一个个都惊呆了，原来以为只有微观世界才有这种态叠加，就是状态不确定，既处于这个状态，又不处于这个状态。现在宏观世界也一样了，猫不就是这样吗？有一只既死又活的猫。

这与我们的经验严重违背。这个实验实际上就是“女儿在客厅里，女儿不在客厅里”变了个样子说出来。这个猫是死了还是活着？既死又活是同时存在的，量子力学认为两者同时存在。

那么怎么可能既死又活同时存在呢？人不能想象这种状态，于是大家就把这个实验进一步讨论下去。

【从不确定到确定可避免意识参与吗？】

1963年获得诺贝尔物理学奖的维格纳想了一个新的办法，他说：我让个朋友戴着防毒面具也和猫一起呆在那个盒子里面去，我躲在门外，对我来说，这猫是死是活我不知道，猫是既死又活。事后我问在毒气室里戴防毒面具的朋友，猫是死是活？朋友肯定会回答，猫要么是死要么是活，不会说是半死不活的。

他这个说法一出来大家就发现，问题在7哪儿呢？一个人和猫一起呆在盒子里，人有意识，意识一旦包含到量子力学的系统中去，它的波函数就坍缩了，猫就变成要么是死，要么是活了。也就是说猫是死是活，只要一有人的意识参与，就变成要么是死，要么是活了，就不再是模糊状态了。

维格纳总结道，当朋友的意识被包含在整个系统中的时候，叠加态就不适用了。即使他本人在门外，箱子里的波函数还是因为朋友的观测而不断地被触动，因此只有活猫或者死猫两个纯态的可能。

维格纳认为，意识可以作用于外部世界，使波函数坍缩是不足为奇的。确实只能这样认为。因为外部世界的变化可以引起我们意识的改变。

大家想过没有，牛顿第三定律说作用力与反作用力是相等的。我们的意识能够受外部世界的影响而改变，大家都觉得没有问题，对吧？人的意识就是受外界客观世界的影响改变了，随时都在变化。那为什么客观世界就能改变意识，意识就不能改变客观世界呢？

他就说意识是能够改变客观世界的，意识改变客观世界就是通过波函数坍缩，就是使不确定状态变成确定的状态，这样来影响的。

所以波函数，也就是量子力学的状态，从不确定到确定必须要有意识的参与，这就是争论到最后大家的结论。

【测量的核心是人的意识】

自然科学总是自诩为最客观、最不能容忍主观意识的，现在量子力学发展到这个地步，居然发现人类的主观意识是客观物质世界的基础了。

因为量子力学是我们客观物质世界最基础的理论。刚才说过了，二十世纪人类技术进展都跟量子力学有关，而且量子力学经过了最精确的实验验证。

量子力学的基础就是：从不确定的状态变成确定的状态，一定要有意识参与。这是物理学的一个重大成就。

到这一步，我们对量子力学的诡异已经有所了解了，诡异的基础实际上是：意识和物质世界不可分开，意识促成了物质世界从不确定到确定的转移。

这点很像在佛学中，一个念头一下子使物质世界产生出来了，这样的概念。物质世界产生出来实际上是从不确定一下子变成确定的，这两者很类似。

刚才讲了量子力学两个诡异之点， 诡异之点到最后就达到了物质世界离不开意识，意识是物质世界的基础，意识才使物质世界从不确定到确定，发生这样的坍缩，也就是变化。

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多体的叠加态：量子纠缠

现在再来讲量子力学第三个诡异之点，这个和前面讲的状态有关，是它们的直接结论，叫做量子纠缠。

量子纠缠与“薛定谔的猫”是类似的，只不过“薛定谔的猫”讲的是同一个东西处于不同的状态的叠加，量子纠缠讲的是如果有两个以上的东西它们都处于不同的状态的叠加，它们彼此之间一定有明确的关系。这就是量子纠缠。

【纠缠态的手套】

比方，我们从北京买了一双手套，把手套中的一只寄到香港，另一只寄到华盛顿，那么寄到香港的是左手戴的还是右手戴的？

谁都不知道，如果香港的人收到了打开一看，是左手的，那华盛顿的人不用看就知道收到的是右手的，因为手套是左右配对的，这是个规则。一旦寄出去了，寄的过程中不确定，但是一个人只要观测了他收到的手套是左手的还是右手的，另一个人不用观测就知道了。这就是纠缠的一个例子。

大家会认为，你看没看它没关系，它早就确定了。但量子力学大量实验证明，如果把同一个量子体系分开成几个部分，在未检测之前，你永远不知道这些部分的准确状态；如果你检测出其中之一的状态，在这瞬间其他部分立即调整自己的状态与之相应。

这样的量子体系的状态叫做“纠缠态”。就好比这个手套在寄出以后，在还没被观测之前，它是不是确定呢？肯定不确定。只有在你确定了其中某一个的状态，另一个的状态立刻就变化了，也变得确定起来了。这种关联就叫作量子纠缠。

大家也许很难理解这个纠缠，说实话，这个已经超出了我们人类的理解能力的范围之外，你只能去试图想他、接受他，跟我们日常生活中的客观经验已经不符了。

【量子隐形传输——瞬间传输的未来】

这个例子还说明纠缠的一个重要特点：纠缠一方得到的任何信息，另一方也会马上感到，不需要信息传递。这一点很重要，后面要用到。

这种纠缠的例子大家还容易理解，但是对于物质世界的纠缠大家不太容易理解，原因就在于大家的观念都认为一个事物永远都有个确定的状态，但是量子力学发现 微观世界的事物，在还没被观察之前没有明确的状态 。

大家记住量子纠缠就是对于多个微观物体，在被观察之后，它们的状态会从不确定到确定，作一个有关联的突变。量子纠缠现在已经变成一个工具了，这个工具可以用来传输东西、传输信息。

我先来说，非量子力学的经典物理学的信息传输。

比如一位女士有一本书，或者任何信息，她想传输到一位男士手上去，这个男士在纽约，两个人根本看不见。

经典物理学的传输方式是女士拿扫描仪来扫描这本书，扫描之后通过网络系统，把信号传到男士那去，男士再把它打印出来，这就是经典信号传输了。

但经典信号传输有个大缺点，就是不完全。因为一本书在扫描时候只能得到它的部分信息，这本书的颜色、纸张的厚度、纸张的原子分子结构那就传不过去，传的只是照相的图像，这就是经典物理学的信号传输。

量子信号传输就完全不同了。量子信号的传输利用量子纠缠态。

如果这位女士与男士离得很远，一个在火星上，一个在地球上，他们可以用量子纠缠来传输信息。如果女士在A点，她有光子A；男士在B点，他有光子B。

光子A和B处于纠缠态，对A光子施加的任何作用或给她的任何信息，B光子都马上得到。如果把这本书的全部信息作用于A光子，那么B光子也马上得到。

这就是量子隐形传输中，最后的B点得到的是和原来完全一样的信息。

经典物理传输后所复制出来的，只是纸上图像的信息，没有复制任何“实体”本身。而量子隐形传输却从“实体”得到完整的信息，从而复制出了“实体”本身，尽管只是一个小小的量子态！

这个工作现在在全世界做得最领先的是欧洲国家，然后就是中国。

中科大有个年轻教授叫潘建伟，他做这个在全世界很有名，做得很好。这个量子隐性传输能够实现，就使得人类有这种可能：可以把在地球上某个东西的全部信息传到火星上去，而且瞬间就传播了。

2017年6月15日，《科学》杂志以封面论文形式，报道了中国“墨子号”量子卫星首次实现上千公里量子纠缠的消息，相较于此前144公里的最高量子传输距离纪录，这次跨越意味着绝对安全的量子通信离实用又近了一步。

2018年2月，中国实现星地千公里级量子纠缠和密钥分发及隐形传态，荣获科技部2017年度中国科学十大进展。