量子力學(xué)一百多年前就已經(jīng)誕生了，但是至今人們也不清楚量子力學(xué)的底層邏輯到底是什么。量子力學(xué)不僅讓普通吃瓜種群感到困惑，即便是偉大的物理學(xué)家們，他們也無(wú)法理解量子世界里的運(yùn)行規(guī)律。科學(xué)家們只知道量子世界里的確存在很多詭異現(xiàn)象，但并不知道那些詭異現(xiàn)象背后的本質(zhì)到底是什么。

下面盡可能以通俗的語(yǔ)言來(lái)分享量子力學(xué)到底是一個(gè)怎樣的理論。

首先，何為量子？

量子是現(xiàn)代物理學(xué)中很重要的一個(gè)概念，任何物理量如果存在最小的不可分割的基本單元，就稱(chēng)該物理量是量子化的，最小的基本單元就是量子。可見(jiàn)，量子并不是電子和光子那樣的基本粒子，它只是一個(gè)物理學(xué)概念。

量子力學(xué)是描述微觀世界運(yùn)行規(guī)律的理論，它與經(jīng)典物理學(xué)有著本質(zhì)的區(qū)別，這種區(qū)別是顛覆性的，可以說(shuō)完全違背我們?nèi)粘Ｉ钫J(rèn)知，甚至顛覆我們的世界觀和宇宙觀。

除量子力學(xué)之外的所有物理學(xué)，都是經(jīng)典物理學(xué)，包括牛頓力學(xué)，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，麥克斯韋的電磁理論等。雖然相對(duì)論對(duì)我們的宇宙觀也有很大的顛覆，但這種顛覆并不是最根本的，更多的只是時(shí)空觀的顛覆，相對(duì)論也承認(rèn)這個(gè)世界是確定的，可描述可預(yù)測(cè)的，因果律統(tǒng)治著我們的世界。

但是量子力學(xué)對(duì)人們世界觀的顛覆是超乎想象的，在量子世界里，微觀粒子完全不用遵循經(jīng)典物理學(xué)定律，那里的一切都是模糊的，都只能用概率去描述，甚至連我們認(rèn)為固若金湯的因果律，到了量子世界都不再適用了。

在我們的現(xiàn)實(shí)世界，除了最基本的因果律之外，還有光速限制，任何物體和信息的傳播速度都不可能超過(guò)光速，但光速限制在量子世界，似乎也不再成立了。

最典型的例子就是量子糾纏，一個(gè)讓愛(ài)因斯坦也感到無(wú)比困惑的詭異現(xiàn)象，也被愛(ài)因斯坦稱(chēng)為“鬼魅般的超距作用”。兩個(gè)發(fā)生糾纏的粒子，不管相距多遠(yuǎn)，都可以瞬間感應(yīng)到彼此的存在，如果某個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生改變，那么另一個(gè)粒子會(huì)瞬間做出相應(yīng)改變，就好像兩個(gè)粒子之間存在某種神奇的“心靈感應(yīng)”一樣。

這也是為什么量子糾纏被譽(yù)為量子世界里最讓人難以理解的現(xiàn)象之一。物理學(xué)界是這樣定義量子糾纏的。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)粒子發(fā)生相互作用之后，單個(gè)粒子原有的屬性消失不見(jiàn)，只會(huì)體現(xiàn)出整體的屬性。

可以用這種方式來(lái)通俗描述量子糾纏。糾纏中的粒子就像是一副手套，把兩只手套放在密封的箱子里，我們并不知道箱子里放的是左手套還是右手套。現(xiàn)在把這兩個(gè)密封的箱子分開(kāi)，不管分開(kāi)多遠(yuǎn)，哪怕是分別在宇宙的邊緣，只要我們打開(kāi)其中一個(gè)箱子，發(fā)現(xiàn)是左手套，那么立刻就能知道另一個(gè)箱子里是右手套。整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有任何信息傳遞，我們憑什么會(huì)瞬間知道另一個(gè)箱子里是右手套呢？

兩只手套是整體，可以認(rèn)為是“糾纏關(guān)系”，相當(dāng)于兩只手套一直處在“糾纏”狀態(tài)中。

說(shuō)白了，糾纏中的兩個(gè)或多個(gè)微觀粒子，就相當(dāng)于一個(gè)粒子，因?yàn)榧m纏中的粒子只能描述整體性質(zhì)，并不能描述單個(gè)粒子的性質(zhì)。

雖然量子糾纏過(guò)程中并沒(méi)有傳遞任何信息，但這種現(xiàn)象仍舊讓物理學(xué)家們感到困惑。人們至今也沒(méi)有完全弄明白量子糾纏的過(guò)程到底是如何發(fā)生的。不過(guò)，物理學(xué)家們利用詭異的量子糾纏現(xiàn)象，可以制造出強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，性能遠(yuǎn)超如今的電子計(jì)算機(jī)，甚至可以說(shuō)是“降維打擊”，為什么？

因?yàn)楝F(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)，不管性能多強(qiáng)大，計(jì)算速度多快，都不能超過(guò)光速。我舉個(gè)例子來(lái)對(duì)比，就能知道電子計(jì)算機(jī)，也就是如今我們用的計(jì)算機(jī)，與量子計(jì)算機(jī)的差距了。

有兩捆電線，每捆都有100根，我們對(duì)每捆電線中的100根電線標(biāo)上記號(hào)，分別標(biāo)注上從1到100的數(shù)字，我們并不知道每根電線的號(hào)碼到底是多少。

現(xiàn)在，讓兩捆電線中數(shù)字相同的兩個(gè)電線連接起來(lái)，我們?cè)撛趺醋瞿兀?/p>

由于不知道電線到底是多少號(hào)，只能一根一根去試。運(yùn)氣好的話(huà)，可能一次就成功了，運(yùn)氣不好的話(huà)需要嘗試100次才能對(duì)接成功。而且每次嘗試都可能需要很多次才能成功。

即使每次都運(yùn)氣最好，也需要100次才能對(duì)接成功，而如果每次運(yùn)氣都是最壞，,需要多少次才能對(duì)接成功呢？

100乘99乘98......一直乘到1！

這就是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，不用計(jì)算這個(gè)數(shù)是多少，但肯定很大很大！

而實(shí)際上，這就是現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的工作原理。雖然上述例子不太嚴(yán)謹(jǐn)，但本質(zhì)沒(méi)有什么不同，只是計(jì)算機(jī)的速度足夠快，能夠在很短時(shí)間里計(jì)算近乎無(wú)數(shù)次，相當(dāng)于嘗試無(wú)數(shù)次，當(dāng)然可以在瞬間嘗試出正確的答案。

而量子計(jì)算機(jī)完全不用那么麻煩，那么“笨拙”。那分別有100根電線的兩捆線，就相當(dāng)于處于糾纏狀態(tài)的兩百個(gè)微觀粒子，它們可以瞬間感應(yīng)到彼此，因此兩個(gè)號(hào)碼相同的電線可以瞬間找到對(duì)方，然后連接起來(lái)，根本不用任何時(shí)間。

這就是量子計(jì)算機(jī)的厲害之處。

當(dāng)然，以上只是理論上分析，現(xiàn)實(shí)中很難制造出如此強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)橐尯芏辔⒂^粒子處于糾纏狀態(tài)是很難的，因?yàn)槲⒂^粒子很容易受到外部環(huán)境影響，從而發(fā)生“波函數(shù)坍縮”，中斷糾纏狀態(tài)。

除了量子糾纏之外，量子世界還存在著更讓人無(wú)法理解的現(xiàn)象：疊加態(tài)。

所謂的“疊加態(tài)”，就是說(shuō)微觀粒子具有某種疊加屬性，比如說(shuō)電子的自旋方向，其實(shí)是處于同時(shí)朝上和朝下的疊加態(tài)。我們可以用宏觀世界來(lái)打比方就能知道疊加態(tài)到底有多詭異了。

很多人都玩過(guò)擲硬幣游戲，當(dāng)硬幣在空中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，我們并不知道硬幣是正面還是反面。但我們知道的是，不是正面，那肯定是反面，也就是說(shuō)，硬幣的狀態(tài)只能有一個(gè)，要么是正面，要么是反面。而且不管是正面還是反面，其實(shí)早就確定了，只是我們不知道而已。

但如果這枚硬幣來(lái)到了量子世界，一切都不同了。硬幣的狀態(tài)發(fā)生了本質(zhì)變化，不再處于“要么正面，要么反面”的唯一狀態(tài)，而是一直處在“既是正面又是反面”的疊加狀態(tài)。

當(dāng)我們想知道“既是正面又是反面”到底是一個(gè)什么狀態(tài)時(shí)，只能去觀測(cè)，但奇怪的是，只要我們以觀測(cè)，硬幣就會(huì)從“既是正面又是反面”的疊加態(tài)，瞬間坍縮為“要么正面，要么反面”的唯一確定狀態(tài)。

可以看出，這就是一個(gè)“魚(yú)和熊掌不可兼得”，或者說(shuō)“矛盾”的無(wú)解情況，我們永遠(yuǎn)不可能親眼看到所謂的疊加態(tài)到底是什么狀態(tài)，只能去想象或者用理論去強(qiáng)行描述，為什么？

因?yàn)橐胫?，就必須進(jìn)行觀測(cè)，但任何形式的觀測(cè)，都會(huì)導(dǎo)致硬幣的“波函數(shù)”發(fā)生坍縮，從所謂的疊加態(tài)坍縮為唯一的確定狀態(tài)。要想不破壞硬幣的疊加態(tài)，就不能做任何觀測(cè)，但不觀測(cè)就不可能具體了解疊加態(tài)！

雖然疊加態(tài)看起來(lái)很“無(wú)解”，但是物理學(xué)家們有的是辦法確定疊加態(tài)真的存在，著名的電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)就是最好的證明，不觀測(cè)電子時(shí)，電子就會(huì)呈現(xiàn)無(wú)處不在的疊加態(tài)，波動(dòng)狀態(tài)，或者說(shuō)“既是粒子又是波”的疊加態(tài)，只要觀測(cè)，電子就會(huì)坍縮為確定的粒子狀態(tài)。

量子力學(xué)中的這種疊加態(tài)，實(shí)際上也是不確定性的另一種表現(xiàn)形式。而愛(ài)因斯坦和薛定諤等物理學(xué)界大佬對(duì)不確定性和疊加態(tài)非常厭惡，于是也有了著名的思想實(shí)驗(yàn)，薛定諤的貓，那是薛定諤專(zhuān)門(mén)用來(lái)諷刺并質(zhì)疑哥本哈根學(xué)派關(guān)于量子世界的不確定性詮釋。

薛定諤的貓這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，其實(shí)早就被說(shuō)“爛”了，我也曾經(jīng)科普過(guò)多次，今天實(shí)在不想再多說(shuō)了?？傊褪?，該思想實(shí)驗(yàn)試圖把微觀世界與宏觀世界建立聯(lián)系，然后把量子力學(xué)中的疊加態(tài)引入到宏觀世界，結(jié)果帶來(lái)了與現(xiàn)實(shí)世界相悖的結(jié)果，這個(gè)結(jié)果就是“既死又活”的貓，這只貓?zhí)幱凇凹人烙只睢钡寞B加態(tài)。

當(dāng)然，我們都知道，現(xiàn)實(shí)中不可能存在這樣一只貓，無(wú)論是在科學(xué)上還是哲學(xué)上，這樣的貓都不可能存在。隨著越來(lái)越多的物理學(xué)界大佬試圖詮釋薛定諤的貓，也在一定程度上推動(dòng)了量子力學(xué)的發(fā)展，提出了很多很多瘋狂的理論，比如說(shuō)平行宇宙理論，甚至還有虛擬世界理論，當(dāng)然也有更具說(shuō)服力的退相干理論。

總結(jié)

量子力學(xué)為什么如此詭異，其實(shí)我們并不知道，這也是很多物理學(xué)界大佬都表達(dá)了這樣的觀點(diǎn)：如果你第一次讀到量子力學(xué)，認(rèn)為自己明白了量子力學(xué)，恰恰說(shuō)明你對(duì)量子力學(xué)完全不了解！

雖然量子力學(xué)很詭異，但物理學(xué)家們知道所有的詭異現(xiàn)象并不是猜測(cè)，更不是假說(shuō)，而是真實(shí)存在的。更重要的是，雖然量子力學(xué)的核心思想是不確定性，但毫無(wú)以為量子力學(xué)是一門(mén)最精確的理論，能夠在最基礎(chǔ)的層面描述微觀粒子的運(yùn)行規(guī)律。

更很重要的是，雖然物理學(xué)家們不理解量子力學(xué)的最底層邏輯，但這并不影響量子力學(xué)走進(jìn)我們?nèi)粘Ｉ?，除了上面所講的量子計(jì)算機(jī)之外，量子力學(xué)早就廣泛應(yīng)用在很多其他領(lǐng)域，比如說(shuō)量子化學(xué)，超導(dǎo)磁體，二極管，晶體管和半導(dǎo)體等，我們?nèi)粘Ｉ钪须x不開(kāi)的手機(jī)和電腦芯片，就包含有量子科技！

也許，我只是說(shuō)也許，微觀世界的不確定性和隨機(jī)行為才是世界的真相，而我們每天看到的所謂客觀真實(shí)世界，只是我們的錯(cuò)覺(jué)而已。

完！