量子力学科普：量子通信与波粒二象性

量子力学科普：量子通信与波粒二象性

从什么是量子开始。量子，本意是指微观世界中【一份一份】的不连续能量。这是本书中写明的定义，它的前提条件是微观世界。

接下来，他说明了一下关于光是波还是粒子的百年之争。粒派支持者包括牛顿、爱因斯坦、普朗克，认为光是一颗颗光滑的小球球构成的；波派支持者包括惠更斯、杨、麦克斯韦、赫兹，认为光是一圈一圈的水波纹构成的。

粒子和波二者区别：

1. 粒子可以分成一个最小单位，单个粒子不可再分；波是连续的能量分布，无所谓【一个波】或者【两个波】；

2. 粒子是直线前进的，波却能同时向四面八方发射；

3. 粒子可以静止在同一个固定的位置上，波却必须动态的在整个空间传播。

科学家们在思考为什么光不能两者都是呢？于是就有了著名的双缝干涉实验。双缝，就是在一块隔板上开两条缝。用一个发射光子的机枪对着双缝扫射，从中露出的光子，打在缝后面的屏上，就会留下一个光斑。

第一次实验，把光子发射机对准双缝发射，结果是标准的斑马线，证明光是纯波。第二次实验，把光子机枪切换到点射模式，保证每次只发射一个光子，结果依然还是斑马线。第三次实验，在屏幕前加装两个摄像头，一边一个左右排开。哪边的摄像头看到光子，就说明了光子穿过了哪条缝。同样还是点射模式，发射光子。结果，每次不是左边的摄像头看到一个光子，就是右边看到一个，从来没有发现哪个光子分裂成半个的情况。

这里先把书里的例子提上来。你在屏幕面前看球员起脚射门时，立马按了暂停键，那么你预测下一秒球是否会踢进？在球迷看来，球能否踢进跟射手是谁，对方门将状态有关；在科学家看来是否射进同射门的角度、速度、力度、方向、摩擦力等有关系。大家公认的，不管球最终是否射进，它和一件事情绝对无关，那就是你家的电视。常理来说，射球的动作和结果在你看视频之前就已经完成，它不受你家电视的影响。但双缝干涉实验的第三次实验则证明了，在其他条件完全相同的形况下，球进还是不仅，直接取决于射门的一瞬间，你看还是不看电视。

双缝干涉实验带来了观察者魔咒，引发了一些人的三观崩塌，许多科学家针对双缝干涉实验的结论产生了争议。尼尔斯玻尔认为，将宏观世界的经验常识套用到微观世界的科学研究上，纯属扯淡。他认为量子力学存在三大原则：态叠加原理、测不准原理和观察者原理。

态叠加原理：在量子世界，一切事物可以同时处于不同的状态（叠加态），各种可能性并存。

测不准原理：叠加态是不可能精确测量的。

观察者原理：虽然一切事物都是多种可能性的叠加，但我们永远看不到一个既左且右，又黑又白的量子物体，只要进行观察必然看到一个确定无疑的结果。

波尔认为，在实验观测的一瞬间，光子会蜕变成为多种可能中的一种，他将这个过程称为“坍缩”。

针对波尔的理论，薛定谔提出了假设进行反驳——著名的“薛定谔的猫”。

把一只猫关在封闭的箱子里。和猫同处一室还有个自动化装置，内含一个放射性原子，如果原子核衰变，就会激发α射线，射线触发开关，开关启动锤子，锤子落下打破毒药瓶，于是猫当场毙命。

在这个机关当中，猫的死活取决于原子是否衰变，但是具体什么时候衰变，是我们无法精确预测到的随机事件。只要不打开盒子看，我们就永远无法确定猫是死是活。

按照波尔的哥本哈根解释，箱中的猫是不死不活、又死又活的混沌之猫，直到打开箱子那一瞬间才会“坍缩”成一只死猫或者活猫。

薛定谔的猫不仅冲击了波尔的理论，也引发了针对唯物和唯心思想的辩论。作为一个文科生看书时看到唯物唯心之争，有些惊异，不禁感慨科学是相通的，是交叉融合的，没有明确的边界。在这里我对于唯物和唯心这两种哲学思想又有了新的感悟。

笛卡尔的“我思故我在”提出，如果世间的一切都是幻觉，那至少还有一样东西绝对不是幻觉，那就是“我在思考”这件事情本身，我在思考，至少说明我还是个东西。

王阳明的“心外无物”，你未见此花时，花的存在是不确定的叠加态，在起心动念的那一刻，花才会“坍缩”为确定态，你观察的世界因此而呈现。

将哲学思想与严谨的物理学理论结合起来去理解，呈现的视窗角度多了一些，也更有趣味了。

虽然薛定谔的猫只是一种假设，但后世为了探索是否真的有这样一只猫做了许多实验。2004年潘建伟团队首次实现了光子的薛定谔猫态（宏观量子叠加态），它被称为“薛定谔的小猫”。

爱因斯坦在完成广义和狭义相对论之后四十年，一直在纠结量子力学，他认为薛定谔的猫否认了物质的实在性，现实中不可能存在一只又死又活的猫。在现实情况下，要找出影响物质存在状态的背后原因，也就是“隐变量”。当时包括爱因

斯坦在内的许多人认为，一旦我们揪出了隐变量，量子力学那些混沌不清的阴暗角落，就会被照亮的一览无余。

除了薛定谔的猫假设之外，薛定谔又提出了“孪生粒子”的思想实验：两个相聚万里的粒子，观测出A的状态，也就知道B的状态，因为A和B都是一个母粒子分裂而成，B的状态一定和A相反。A、B两个粒子命运相连，牵一发而动全身，薛定谔称之为“量子纠缠”。由于A、B相反，在知道A的状态，立马就会知道B的状态，所以量子纠缠存在着超距超光速的特性。而这两个特性也是让爱因斯坦陷入疑惑不解的缘由之一。

首先，是瞬时传送，意味着超光速。但是在宇宙中针对存在超光速吗？不要说超光速，就是试图接近光速的行为都会引起时空的畸变。

其次是超距作用。爱因斯坦相对论的前提是局域性，如果量子纠缠能够允许超光速，那么是量子力学错了，还是相对论错了。

约翰·贝尔作为爱因斯坦的狂热粉丝，一心想为爱因斯坦证明量子力学是错的，但结果确实证实了量子力学的正确。他在36岁提出贝尔不等式。

众所周知，粒子A的自旋一定和B相反，但贝尔发现所有人都忽略了一件事：自旋在三维空间是有三个分量。

A在X轴的自选分量Ax如果向上，B在x轴的自旋Bx一定向下，但是B在y 轴和z轴上的自旋By、Bz呢？

如果爱因斯坦的局域性理论是对的，By、Bz应该和Ax没有关系，但是用量子力学算出来的结果，却有着微妙的区别：在某些情况下，By、Bz和Ax之间存在着微弱的关联。