量子力学 越成功越荒诞的微观世界

　　在影片《星际迷航》中，导演和编剧脑洞大开，费尽心机地给观众提供了一个全然不一样的视觉体验：在穿越宇宙的旅行中，偌大的一个人神秘消失，不需要任何载体的携带，被送抵各个星球或飞船上。影片赋予了这种送达方式一个看来并不生疏的科学名词：远距离传输。

　　实际上，早在1993年，远距离传送的概念就走出了科幻的范畴。科学家将电信和运输的特性相结合，从而形成一种被称作“远距传送”的系统。这种系统将物体精确原子结构解构后的信息传送到另一个地点，然后再将这些信息重构还原成为原来的物质。这就意味着我们可以将物体传送到任何地点，而无需实际穿越任何一个物理距离。

　　而这一应用之所以被认为能够实现，是因为所用到的科学理论，是被科学界广为承认的量子力学。

　　量子力学是研究微观粒子运动规律的物理学的一门分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质以及基本粒子的结构、性质和运动规律，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。

　　然而，在量子力学诞生之前的数千年来，人类一直依靠与生俱来的直觉来认识自然界运行的规律和原理。虽然这种方式让我们在很多方面误入歧途。譬如，人们一度错误地坚信地球是平的。但从总体上来说，我们所得到的知识和真理，远远多于谬误。正是在这种虽然缓慢、成效却十分积极的积累过程中，人们逐渐摸索和总结出了宏观物体的运动定律、热力学原理等知识，这样，我们自身所处的世界才变得不再那么神秘，直觉的价值也由此得到肯定。但这一切，到20世纪初量子力学的出现后有了翻天覆地的改变。

　　这是被著名物理学家爱因斯坦用“上帝不掷骰子”来形容的科学，这为人类带来了许许多多令人震惊不已的结果 。

　　量子力学彻底改变了科学家对物质组成以及相关运动规律的观点。在量子世界，粒子并非是台球，而是不断迅速跳跃的概率云，它们并不只待在一个位置上，也不会从一个点通过一条单一路径到达另一个点。根据量子理论，粒子的行为常常像波，用于描述粒子行为的“波函数”则只能预测一个粒子可能在何处。

　　波动性也表现在电子在通过双狭缝时的干涉现象中。如果每次只发射一个电子，它将以波的形式通过双缝后，在感光屏上随机地激发出一个小亮点。多次发射单个电子或者一次发射多个电子，感光屏上将会出现明暗相间的干涉条纹。这就证明了电子的波动性。 假如一个光缝被关闭的话，所形成的图像是单缝特有的波的分布概率。由于不可能存在半个电子，所以在这个电子的双缝干涉实验中，可以看成是电子以波的形式同时穿过两条缝，自己与自己发生了干涉。 但是其实质上的意义是，这种波只是粒子出现在空间的“几率波”。这是德国物理学家玻恩伟大的发现。这一发现把波和粒子相对立的观点统一了起来，成为大家公认的量子力学的正统解释。

　　量子还有运动的不确定性，在经典物理学中，我们可以用物体的位置和动量精确地描述它的运动，但在微观物理学中，由于观测某些物理量引起的干扰,将使与它关联的物理量的观测带来不确定性。这种不确定性告诉我们，如果要更准确地测量物体的位置，那么测得的动量就更不准确。也就是说，不可能同时准确地测得一个粒子的位置和动量，因而也就不能用轨迹来描述粒子的运动。

　　根据量子力学，原子核具有一定的能级，当原子吸收能量，原子就跃迁更高能级或激发态；当原子放出能量，原子就跃迁至更低能级或基态。原子能级之间是否发生跃迁，关键在两能级之间的差值。

　　在无比奇特的量子世界里，量子还会出现纠缠态。正如电影《星际迷航》中描述的“远距离传输”就是量子态隐形传输。电影中，当柯克船长被传送到一个陌生的星球上时，是他的原子结构分析的信息通过传送控制室到了预期的地点，并在那里创造出柯克船长的一个复制品，而原先的柯克船长则消失不见了。这种奇迹之所以能够实现，就与纠缠态有关。纠缠态是一个至今还争论不休的问题。

　　量子力学是在20世纪初由普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克等一大批物理学家共同创立的。通过量子力学的发展，人们对物质结构以及其相互作用的观点发生了革命性的改变。正因为它们基本上与人们直觉的观点相违背，以至于爱因斯坦不得不感叹道：“量子力学越是取得成功，它自身就越显得荒诞。”

　　人们不得不承认，虽然它依然看起来奇异而陌生，但量子力学在过去的一百年里，已经为人类带来了太多革命性的技术革新。

　　晶体管的运用让计算机从动辄楼房般臃肿的真空管计算机缩小到现代计算机如此小的体积；原子钟能够在2000万年之后，时间误差不超过1秒；激光、核磁共振、电子显微镜、隧道扫描仪在工程以及医疗等领域的大放异彩……

　　正像《量子力学的奇妙故事》一书的引言中所述：“量子力学在哪？你不正沉浸于其中吗。”