量子物理学通常从一开始就令人生畏。

张力手

转自网络

科学如此美妙，我想让你知道。欢迎点进老胡说科学，本篇文章和大家分享量子物理的一些基本常识。


这有点奇怪，甚至对那些每天都在研究它的物理学家来说，这似乎是违反直觉的。但这并不是不可理解的。如果你正在阅读一些关于量子物理学的东西，关于它有六个关键的概念你应该记住。这样做，你会发现量子物理更容易理解。
1、物质具有波粒二象性


有很多地方开始这种讨论，宇宙中的一切都同时具有粒子和波的性质。“一切都是波，没有波动，没有距离。”内心深处，我一直很喜欢把它作为对量子物理学的诗意描述，宇宙中的一切都有波动的性质。当然，宇宙中的一切都有粒子性质。这看起来完全是疯狂的，但这是一个实验性的事实，是通过一个令人惊讶的熟悉的过程得出的。
当然，把真实的物体描述成粒子和波是有些不精确的。准确地说，量子物理学描述的对象既不是粒子也不是波，而是第三类，它们具有一些波的特性和一些粒子的特性。关于在物理导论课程中讨论光作为粒子是否合适在物理教育界引起了一些激烈的争论，不是因为光是否具有粒子性质存在任何争议，而是因为把光子称为“粒子”可能会导致一些学生的误解。我不同意这一点，因为许多把电子称为“粒子”的问题可能会引起同样的担忧。
量子物体的“第三门”性质反映在物理学家用来谈论量子现象的有时令人困惑的语言中。希格斯玻色子是在大型强子对撞机上以粒子的形式被发现的，但你也会听到物理学家们把“希格斯场”说成是一种充满了所有空间的非本地化物质。这是因为在某些情况下更方便讨论希格斯场的作用,而在其他情况下强调了粒子特性,它只是描述同一个数学对象的不同语言。
2、量子物理是离散的


量子模型总是包含一些以离散数量出现的东西。量子场中包含的能量是一些基本能量的整数倍。对于光来说，这与光的频率和波长有关——高频、短波长的光具有较大的特征能量，而低频、长波长的光具有较小的特征能量。超精密光谱学还可以用来寻找暗物质等物质，这也是低能量基础物理研究所的动机之一。这并不总是显而易见的——甚至一些本质上是量子的东西，比如黑体辐射，似乎也涉及到连续分布。但如果你深入研究数学，你就会发现，现实的本质总是有一种粒度，这是导致理论怪异的很大一部分原因。
3、量子物理学是概率的


量子物理学最令人惊讶也是最具争议的方面之一是，我们不可能确切地预测一个量子系统上的单个实验的结果。当物理学家预测某些实验的结果时，预测总是以特定可能结果的概率的形式出现，理论和实验之间的比较总是涉及概率分布。一个量子系统的数学描述通常的形式“波函数。关于这个波函数到底代表了什么，有很多争论，主要分为两个阵营:一部分人认为波函数作为一个真实的物理事物，另一部分人则认为波函数只是一个表达式。
在这两类基本模型中，发现结果的概率不是由波函数直接给出的，而是由波函数的平方给出的，得到概率的运算稍微复杂一些，但“波函数的平方”就足以得到基本思想。这就是众所周知的“天生规则”。
粒子同时处于多种状态的理论方面，我们所能预测的只是概率，在决定一个特定结果的测量之前，被测量的系统处于一种不确定的状态。不管你认为这是一个系统同时处于所有状态，还是仅仅处于一个未知状态，这在很大程度上取决于你对认知模型的感觉。
4、量子物理是非局部性的


爱因斯坦对物理学的最后一个伟大贡献并没有得到广泛的认可，主要是因为他错了。1935年，爱因斯坦和他的年轻同事鲍里斯·波多尔斯基以及内森·罗森在一篇论文中用清晰的数学表述了困扰他一段时间的东西，我们现在称之为“纠缠”。
量子物理学允许存在这样的系统，两个“量子”分别在两个相隔甚远的地点进行的测量，其中一个的结果是由另一个决定的。这意味着测量结果必须提前确定，因为这需要比光速还快的速度将测量结果传送到另一位置。因此,量子力学必须是不完整的,只有一些更深层次的近似理论。因为似乎没有办法测试它，你可以找到量子力学预测远距离测量之间相关性的情况，而这种相关性非常大，并且这些纠缠系统不可能被任何局部隐藏变量理论解释。
理解这个结果的最常见的方法是说量子力学是非局域的：在特定位置进行测量的结果可以依赖于遥远物体的性质，而这种性质是无法用以光速运动的信号来解释的。然而，这并不允许以超过光速的速度发送信息，尽管已经有许多人试图找到一种利用量子非局域性的方法来做到这一点。量子非局部性也是信息蒸发黑洞的核心问题。
5、量子物理学(大部分)非常小


量子物理学以怪异著称，因为它的预测与我们的日常经验大相径庭。这是因为随着物体变大，所涉及的效应会变小——如果你想清楚地看到量子行为，你基本上想看到粒子像波一样运动，波长会随着动量的增加而减小。这意味着，在很大程度上，量子现象局限于原子和基本粒子的尺度，在这个尺度上，质量和速度小到足以让波长大到足以直接观测。不过，在许多领域都在积极努力，将显示量子效应的系统放大到更大的尺寸。
6、量子物理不是魔法
前一点很自然地引出了这一点，尽管看起来很奇怪，但量子物理学明显不是魔法。它所预言的事情以日常物理学的标准来看是奇怪的，但它们受到了人们熟知的数学规则和原理的严格约束。所以，如果有人向你提出一个“量子”的想法，这个想法看起来好得令人难以置信——自由的能量，神秘的治疗能力，不可能的太空驱动器——它几乎肯定是真的。这并不意味着我们不能用量子物理学来做一些令人惊奇的事情，你可以在世俗科技中找到一些很酷的物理，但是这些东西都在热力学定律的范围之内，只是基本的常识。
这就是量子物理的核心要素。我可能遗漏了一些东西，或者发表了一些不够精确的声明来取悦所有人，但这至少应该作为进一步讨论的有用起点。
小伙伴们，你们对量子物理是不是有了更深的认识呢？欢迎留言讨论你们的学习心得！