在日常生活中,我们对周围事物的运动有着直观而确定的认知。

比如说,当我们在马路上随便捡起一块石头,然后朝上扔出去,石头很快会落下来,我们甚至可以轻松接住落下来的石头。石头不会一直向上飞(当然,假设你力气足够大,理论上它可以一直向上飞,但这不符合我们日常的力的作用范围),也不会突然消失不见,更不会变成空气或别的东西。



用专业物理术语来讲,我们所处的宏观世界是可预测的、可描述的、可认知的,也是确定的。这正是爱因斯坦所说的 “认知论”,属于经典物理学范畴。

经典物理学认为,不管任何事物,只要我们能够掌握这个事物的一切参数,就可以精确预测它的未来走向。例如,在牛顿力学体系下,通过对物体的受力情况、初始位置和速度等参数的精确测量和计算,我们能够准确地预测物体在未来某个时刻的位置和状态。这就如同我们能够准确预测天体的运行轨迹一样,几百年来,经典物理学的成功让我们对世界的运行规律有了一种确定性的把握。



然而,20 世纪初量子力学的出现,却如同一颗重磅炸弹,让我们熟知的经典力学戛然而止,彻底颠覆了人类的传统认知。

还是以扔石头为例,在量子世界里,情况将变得超乎想象。当你朝上扔石头时,石头非但没有落下来,反而可能一直向上飞,甚至朝各个方向杂乱无章地飞来飞去。

更让人抓狂的是,石头竟然会同时出现在两个地方,甚至在你还没扔石头时,石头已经飞向天空了。这种现象完全违背了我们的日常直觉,不仅仅我们会对此感到震惊,科学家们对此也非常吃惊,百思不得其解:量子世界为何如此违反我们的直觉?简单说:没有人知道为什么,起码目前没有人知道。但这并不能阻止科学家探寻问题答案的决心。



在量子世界中,微观粒子的行为只能用概率来描述,这种方式带来了很多让人类震惊的结果。比如说微观粒子可以随机穿越一些看似不可能穿越的屏障,穿越能量势垒,这就是量子隧穿。



这就好像以你的能量,无论如何都无法越过一堵 5 米高的墙。但在量子世界,微观粒子却可以轻松做到,微观粒子可以随机瞬间穿越 “那堵墙”,微观粒子的位置是不确定的,可以出现在任何地方。

而在量子世界还有更诡异的存在,那就是量子纠缠。

处于纠缠状态的两个粒子,无论相距多么遥远,哪怕是在宇宙的两端,也能够瞬间感应到彼此的存在。当我们观测其中一个粒子的状态时,另外一个粒子的状态马上确定,就好像两个粒子有心灵感应一样。爱因斯坦把这种现象称为 “鬼魅般的超距作用”。在爱因斯坦眼里,我们的世界具有局域性(说白了就是任何物体对周围事物的影响速度不能超过光速,即光速限制),也被称为 “局域实在性”。



但量子纠缠打破了这个特性,它表明了世界是非局域性的。不过,需要注意的是,量子纠缠是不传递任何信息的,并没有违反 “光速极限” 的限制。但对于这种诡异的现象,爱因斯坦非常排斥,认为量子世界肯定还存在某种没有发现的 “隐变量”,才会让量子世界表现得如此奇特。

以波尔为首的哥本哈根学派则给出了不同的诠释。



他们认为,任何微观粒子都具有叠加态,也就是不确定性。用现实宏观的例子打个比方,把一副手套分别装在盒子里,放在相距 1000 光年远的地方(无论多远都可以),分别放在 A 点和 B 点。按照经典物理诠释,虽然我们不知道 A 点是左手套还是右手套,但其实已经确定了,只是我们还没有打开箱子确认而已。无论我们看或者不看,都是确定的。



如果 A 点的手套是左手套,我们立刻就知道 B 点的手套是右手套。但按照量子力学的诠释,A 点到底是左手套还是右手套是不确定的,这里的 “不确定” 并不是因为我们没有观看,而是一种 “内在秉性”。也就是说 A 点是左手套和右手套的叠加态,当我们观看的那一刻,叠加态就坍缩为本征态(确定态)。说白了,量子世界的确定与否,取决于观测行为。

对于爱因斯坦、薛定谔等反对哥本哈根学派的科学家来说,量子纠缠和 “叠加态” 是非常可怕的,他们很难接受。不过上世纪 60 年代,贝尔做了一系列测试,测试更倾向于哥本哈根学派的观点,也就是非局域性观点,最著名的就是贝尔不等式。于是,量子世界的不确定性被主流科学界认可。

事实上,量子纠缠现象对于研发量子计算机非常重要,可以让量子计算机的计算速度相对普通计算机有质的提升。量子计算机与普通计算机有着本质的不同,最大的不同就是计算方式。普通计算机以二进制的比特(0 和 1)来存储和处理信息,而量子计算机则以量子比特为信息单元。量子比特具有独特的性质,它可以同时处于 0 和 1 的叠加态,这意味着一个量子比特可以同时表示多个状态。



为了更直观地理解量子计算机的速度优势,我们可以举个通俗的例子。

假设有两个电器,每个电器都有一万根电线,这两万根电线必须一对一连接上,需要与某根特定的电线连接,才能够正常运作,但你不知道到底是哪一根。这种情况下,我们必须挨个进行试验,把其中一个电器的一根线拿出来,分别连接另一个电器的一万根线,这意味着(最多)需要一万次才能确定这根线到底该连接另一个电器的哪根线。如果把一万根线全部试验一遍,最多需要一万乘以一万次(也就是一亿次)才能完成。

但在量子世界,就不用如此麻烦了,由于量子纠缠是瞬间完成的,两万根线就像纠缠中的两万个粒子,理论上可以瞬间通过纠缠的方式确定下来到底该如何连接。



当然,这只是理论上分析,实际操作起来还是非常麻烦的。比如说,科学家操控一对纠缠中的粒子并不难,但要同时操控很多纠缠中的粒子就非常困难了。这也是量子计算机难以制造的难点之一,还有很多困难需要不断克服。例如,量子比特的稳定性是一个关键问题,量子比特很容易受到外界环境的干扰而发生退相干,导致计算错误。此外,量子计算机的纠错技术也还需要进一步发展和完善。

但无论如何,量子力学让我们看到了一个不一样的世界,它非常诡异,甚至完全颠覆你我的世界观,但有关它的应用却真实存在,并且已经带给我们完全不一样的科技体验。比如说,你每天都使用的手机中的芯片就含有量子科技。在芯片制造中,量子力学的原理被用于解释和控制电子在半导体材料中的行为,从而实现芯片的高性能和小型化。

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