量子力學(xué)如何顛覆認(rèn)知：看看這三個經(jīng)典實驗吧！

量子科技的根基其實就是量子力學(xué)，最經(jīng)典的“薛定諤的貓”可以說開啟了現(xiàn)代人對量子理論反常規(guī)的思辨風(fēng)潮，薛定諤沒有解決的問題隨著時間的推移，通過一些實驗和理論的不斷完善，量子理論的說服力得到了飛躍的提升，當(dāng)然，更多的問題接踵而至，所以在面對量子理論時，放棄常識并抱著開放性的心態(tài)會更容易理解，接下來我們就通過三個經(jīng)典實驗，來更深入地了解量子力學(xué)吧。

實驗一：電子雙縫干涉

對于經(jīng)典物理而言，粒子和波動是兩個層次的東西，不能混為一談，而量子力學(xué)則認(rèn)為兩者密不可分，而雙縫衍射實驗就是量子力學(xué)最有力的證明。

使用一個一次只能發(fā)射一個電子的裝置，對刻有兩條平行縫隙的擋板進(jìn)行發(fā)射，如果按常識來看，電子一定會穿過某一條縫隙，落在后面擋板的同一個位置上，這就是電子的粒子性質(zhì)，但如果你進(jìn)行多次測試就會發(fā)現(xiàn)，它并不是每一次都落在同一個位置，而是散落在某一個位置周圍，這意味著這一個電子并不是只通過其中一條縫隙，而是同時通過這兩條縫隙并和自己產(chǎn)生干涉，這就呈現(xiàn)出電子的波的性質(zhì)。

雙縫干涉實驗告訴我們的正是電子具備波粒二象性，它既是波，也是粒子，同時具備兩種屬性：當(dāng)我們進(jìn)行觀測時，每一個電子只會落在某一個位置上，呈現(xiàn)出粒子的特性，但具體落在哪里又是個符合波性質(zhì)的概率問題，這就打破了“物質(zhì)世界具有連續(xù)性”這個常識：這只貓我早上看它的時候是一只貓，晚上看到它還是一只貓，所以理所當(dāng)然地就認(rèn)為在早上到中午我沒看到它的這段時間里它還是一只貓，但顯然這并不符合電子雙縫干涉實驗的結(jié)果。

事實上，對于雙縫干涉實驗中的電子而言，它處于量子場的影響中，在我們沒有觀測它的時候它是一個波函數(shù)，也就是描述一個電子一切概率分布信息的函數(shù)，它只能告訴我們電子在空間某一位置出現(xiàn)的概率，這與宏觀的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動有確定性明顯不同，量子世界是測不準(zhǔn)的，這也是為什么愛因斯坦會說出“上帝不擲骰子”的原因，而只有在我們觀測時，波函數(shù)才會坍縮成為一個粒子，出現(xiàn)在某一個具體的空間位置上。

實驗二：量子擦除

那么，波函數(shù)的坍縮必須通過有意識的觀測么？第二個實驗深化了這個問題，其實依然是雙縫干涉實驗，但不同點(diǎn)是用具備偏振性的光子替代了電子，并充分利用量子糾纏現(xiàn)象：在波函數(shù)描述多電子體系時，對一個電子的狀態(tài)的改變能夠牽扯到這個體系其他電子的狀態(tài)的改變，不管這兩個電子的距離相隔多遠(yuǎn)，這種作用關(guān)系被愛因斯坦稱作“幽靈般的超距作用”。

實驗用的光子有水平、垂直、順時針、逆時針?biāo)姆N偏振態(tài)，光子發(fā)射器會發(fā)射一對處于糾纏態(tài)的光子：水平偏振的A和垂直偏振的B，其中A不通過雙縫就直接被1號偏振探測儀探測，而B則通過雙縫并被后方的2號偏振觀測儀觀測。

與此同時，在兩個縫隙上覆蓋不同的四分之一波長片甲和乙，它的作用就是讓垂直偏振光B通過甲就轉(zhuǎn)換為順時針偏振，而通過乙則轉(zhuǎn)換為逆時針偏振，因為AB處于糾纏態(tài)，B的變化通過A就能進(jìn)行觀測，從而得到B究竟是通過了哪一條縫隙。

而這個實驗最“量子”的部分來了！當(dāng)我們打開1號偏振觀測儀對光子A進(jìn)行觀測時，雙縫衍射的干涉條紋就消失了！關(guān)閉1號偏振觀測儀，也就是不觀測光子A的偏振態(tài)，干涉條紋就會重新出現(xiàn)。事實上1號偏振觀測儀的位置并沒有任何限制，就算放到宇宙另一端也并不影響，它的功能只是觀測與之處于糾纏態(tài)的光子B偏振性，所以這個實驗最重要的結(jié)論就是量子場的坍縮的發(fā)生并不需要有意識的觀察者，而第三個實驗則將這一理論更進(jìn)一步。

實驗三：延時量子擦除

這個實驗器材的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，簡單來說就是實驗二的“分光版”，如果只看圖中畫框位置那它就是實驗二的布局。同時發(fā)射兩對處于糾纏態(tài)的光子，在保持實驗二結(jié)構(gòu)的前提下增加四組探測儀（D1、D2、D3、D4）、三塊50%反射50%折射的半銀透鏡（BSa、BSb、BSc）和兩塊全反射玻璃（Ma、Mb）。

實驗結(jié)論有2個，其一是如果D3檢測到光子即對應(yīng)圖中藍(lán)色光路的光子擊中了D0，D4檢測到光子則對應(yīng)于紅色光路光子擊中D0，從而得到實驗二被擦除而無法得到的觀測數(shù)據(jù)，但此時D0上的干涉條紋會消失。第二個結(jié)論是D1和D2檢測到光子，因為這兩個探測器會同時接收藍(lán)色和紅色光子，因此依然無法得到D0的光路情況，觀測信息也相當(dāng)于被擦除，但干涉條紋可以復(fù)原。

這個實驗的關(guān)鍵點(diǎn)在于，D0與雙縫的距離只有D1、D2、D3、D4的一半，也就是說后四者的感光時間都在D0之后，也就是光子在通過雙縫之前就似乎已經(jīng)“決定”了是否會坍縮，而且這個實驗是在沒有觀測者、沒有觀測意識的前提下就導(dǎo)致了混合狀態(tài)的坍縮。難怪理查德·費(fèi)曼會在《費(fèi)曼物理學(xué)講義》里表示雙縫實驗所展示出的量子現(xiàn)象絕不可能以任何經(jīng)典方式來解釋，它包含了量子力學(xué)的核心思想，透過雙縫實驗，可以觀察到量子世界的奧秘。

遇事不決量子力學(xué)？謹(jǐn)防身邊的“量子陷阱”

從這三大實驗可以看到，量子理論還存在著非常多懸而未決的“縫隙”，有的甚至上升到了哲學(xué)的領(lǐng)域……量子科技的落地主要還是集中在利用糾纏態(tài)的密鑰傳遞，以及利用疊加態(tài)的并行計算上，這兩點(diǎn)在我們此前的系列文章中已經(jīng)有過詳細(xì)的解讀，歡迎大家查閱。

事實上，量子概念已經(jīng)“火”了一段時間，但火的方法卻有點(diǎn)另類，在電商平臺以“量子”為關(guān)鍵詞，可以搜索到大量掛著“量子”旗號的養(yǎng)生用品，比如量子鞋墊、量子襪、量子內(nèi)衣、量子手環(huán)……在這里量子成了一種玄學(xué)加成，冥冥中為穿戴者施加增益效果。除此之外“量子波動速讀”在去年也成了熱門話題，快速翻閱甚至蒙上眼睛，書本的內(nèi)容就能進(jìn)入大腦……顯然，這些概念無疑都是“掛羊頭賣狗肉”，所以量子的概念既有李鬼也有李逵，很有科普的必要性。

10月16日中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景進(jìn)行的集體學(xué)習(xí)，讓量子科技真正走進(jìn)了普羅大眾的視線當(dāng)中，對普通人來說，量子理論是晦澀的（其實對非相關(guān)專業(yè)的人來說也很晦澀），它所實現(xiàn)的功能在目前來看也沒有明顯的感知性，也就是哪怕你已經(jīng)用上了新技術(shù)，但也絲毫沒有察覺。我國在量子科技領(lǐng)域雖然并沒有走到最前端，但考慮到目前整個行業(yè)都還沒有成型，再加上政策扶持力度較大，十四五計劃中也極有可能加入量子科技的相關(guān)內(nèi)容，所以在這個賽道，我們并沒有落后太多，仍有很大的追趕空間，未來值得期待。