【创作培育计划】量子力学，改变人类的世界观

世界的真实面貌是怎样的？曾经，我们以为应该就像我们所直观感知的那样，但量子力学，带给了我们全新观点。

人类的世界观是建立在自我感知的基础上的。而这种感知与尺度息息相关。

就像一只蚂蚁无法感知地球的大小，而一头大象也很难感知细菌的大小一样，人类的感知能力也不是无限的。

我们能看见的光不过是电磁波谱的一小部分，我们能听见的声音不过是振动频谱的一段，我们能容忍的温度范围更是极其有限。

幸好有了物理学，它告诉我们，不同尺度下有着不同的自然规律。这些规律甚至有些令人“反直觉”。

作为物理学的一部分，量子力学描述的就是微观世界的运行规律，它确实让处于宏观尺度的我们捉摸不透。

所谓微观世界，就是尺度足够小，小到10的-10次方米以下。这个尺度相当于一个普通原子的直径。原子是如此之小，一滴水里面就会有5万亿亿个原子，够全球70亿人一起数2万多年！而且，原子并不是这个世界最小的物质单元，原子内部还有电子和原子核，原子核里还有质子和中子，质子和中子内部还有夸克……这些微小的粒子以及其他诸多和它们尺度相当的粒子，都被“量子”统治。

在物理学里，“量子”的概念，就意味着这个物体只能被分成“一份一份的”。不仅是从物质层面上来说，可以分成一份一份的更小的粒子。而且从能量层面上来说，也是一份一份累加的。所以，在量子世界里，要比谁的质量大，或者谁的能量高，抑或是物体从一种状态变成另一种状态，它只能一份一份地比较或变化。就像跳台阶一样，两个台阶之间没有中间状态，只能从一个台阶跳到另一个台阶。

所以，量子力学描述的规律，在很多情况下都有那么一些“反直觉”。

首先，量子并不像我们宏观世界看到的实体一样，会有特定的体积和形状。虽然我们经常把看不见的微观粒子统一想象成一个个小球，实际上它们存在的方式是千奇百怪的。它可能是随处飘荡的“波”，也可能是出现在某处的“粒子”。这被称为波粒二象性。

其次，量子的出现充满了不确定性，可以用“随心所欲”来形容。我们只知道它在某时某刻出现在某地的概率有多大，却无法知道它是否一定就会出现在那里。所以它可以毫不费力地穿越到微观墙体的另一侧，因为它有出现在那侧的概率。这种行为在数学上被描述为概率波。

再者，量子的这种不确定性，是可以相互叠加的。也就是说，如果把两个量子放在一起，它们各自具有不确定性，但它们整体又叠加成了新的不确定状态。在特殊情形下，它们各自的不确定性还会纠缠在一起，一旦其中某一个量子状态发生了变化，另一个量子必然会发生对应的变化。有了这些神秘的叠加和纠缠，你就可以实现更加复杂的量子隐形态传输和量子加密。

最后，量子世界仍然可以回归到宏观世界中来。如果有许许多多的量子叠加或纠缠在一起，就构成了非常复杂的状态。以至于，再要想分辨某一个量子的行为，已经是不可能了。比如前面提到的一滴水，如果我们忽略水里面单个原子的具体行为，而只关心这一大群原子的行为，那么我们看到的，就只是一滴水。

所以，要理解量子力学的世界观，最重要的就是要摒弃你在宏观世界根深蒂固的先验概念，并主动去接受那些貌似“反直觉”的物理规律，再最终试图回归到合理的宏观现象中来。

不管你相信还是不相信，我们这个宏观的世界，还是由无数个量子组成的。我们看到的光、听到的声音、感受到的温度，本质上都是量子复杂的相互作用形成的。所以，你看似感受不到量子，又无处不在无时不刻地感受到了。

如今，量子的应用已经无处不在。家里的LED灯，你用的手机、电脑、pad，去医院做CT或核磁共振扫描，开车用的导航系统，统统都用到了量子科技。在不久的将来，量子计算、量子通讯和量子精密测量等，还将给我们的生活带来翻天

审核：薛鹏 北京计算科学研究中心教授

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