“我那些物理專業(yè)的學生也不理解量子力學，因為我自己就不理解?！?/span>
“我不相信上帝會擲骰子?！?/span>
“如果能弄明白為什么會有量子糾纏，我立即死都愿意?！?/span>
你猜說這些話的人是哪幾位大咖？他們在說什么？——如果你感到困惑、匪夷所思甚至開始懷疑人生……這很正常，讀完本文你將知道，你和所有頂級科學家對量子世界的第一感覺是一致的。
然而，依然歡迎你隨“我報道”一起進入神秘又糾結的量子世界。本文是“量子衛(wèi)星”系列科普的第一篇，將著重講解量子世界奇妙的“量子疊加態(tài)”和奇異的“量子糾纏效應”。
記者：喻菲 楊春雪
Q：量子是什么？？
A：它是微觀世界里最小的、不可分割的基本單位。
中國近日將發(fā)射的世界首顆量子衛(wèi)星，除了在建立量子通信網絡方面具有巨大應用價值，還將為理解量子物理最令人費解的現象邁出重要一步。
據介紹，這顆衛(wèi)星的一大任務是實現星地量子糾纏分發(fā)，在青海德令哈和云南麗江之間，或者青海德令哈與新疆烏魯木齊之間，測試相距1200公里，被愛因斯坦稱為“詭異的”量子糾纏現象。
量子是微觀世界里最小的、不可分割的基本單位，比如，人們日常生活中常見的光，就是由大量光量子組成的。量子世界以一種神秘、有趣的方式運行，量子有著許多不同于宏觀物理世界的奇妙特性，被認為是科學界最玄妙的話題，至今仍充滿爭議。
Q：如何通俗地描述什么是“量子疊加態(tài)”？
A：好比孫悟空的分身術，各個分身就像是他的疊加態(tài)。——by潘建偉院士
量子力學描述世界的語言與經典力學有著根本的區(qū)別。經典力學描述一個物體的狀態(tài)，會給出它的明確位置；量子力學描述一個微觀粒子的狀態(tài)，給出的則是疊加態(tài)——這個粒子在某些情況下既可能在這里，也可能在那里，沒有確定的位置。當對其觀測時，量子疊加態(tài)將隨機地以一定的概率呈現不同態(tài)的性質。
量子衛(wèi)星首席科學家、中科院院士潘建偉喜歡用“分身術”來比喻量子疊加態(tài)，“這就好比孫悟空的分身術，一個孫悟空同時出現在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加態(tài)?！?/span>
潘建偉說：“在日常生活當中，我要么在上海作報告，要么在北京作報告，我不可能同時在兩個地方講。但在量子世界，作為一個微觀的客體，它不僅在這里，也可以在那里，同時在好多個地方?！?/p>
描述量子疊加的最著名的思想實驗是量子理論創(chuàng)始人之一、奧地利物理學家薛定諤提出的，有關一只貓的實驗，因而被稱為“薛定諤的貓”。在這個假想的實驗中，一只貓被關在盒子里，盒子中還有一個原子核，它有50%的可能會發(fā)生衰變，而衰變將會放出一個粒子，粒子再觸發(fā)毒氣釋放裝置。在不打開盒子觀察的情況下，原子核處于衰變和未衰變的疊加態(tài)中，在這種狀態(tài)下，貓既是死的又是活的。
薛定諤是用這個假想實驗來強調量子理論所描述的“荒謬性”。根據量子理論，這只未觀測到的貓既是死的也是活的，直到你對它的觀察使得它要么死掉要么活著，二者擇一。
那只既死又活的貓總像噩夢一樣讓物理學家們不得安寧……
Q：為什么會有量子糾纏這么奇怪的現象？
A：誰知道呢……
量子物理世界另一個奇異現象是糾纏效應，量子糾纏可以把兩個或更多粒子的命運關聯在一起。在這一奇特關聯中的粒子“心心相印”，即使隔著一個太陽系，當測量其中一個的狀態(tài)時，另一個狀態(tài)也會即刻發(fā)生相應改變。
形象點比喻，這就如同兩張相距甚遠的紙張，人們在其中一張紙上書寫的時候，另一張紙上會立刻顯現出所書寫的信息。
愛因斯坦對這種“幽靈般的超距作用”嗤之以鼻，更愿意相信這背后有某種隱藏的物理作用。
然而，1972年，美國物理學家克勞澤等通過實驗證實，微觀粒子“遙遠的點之間的詭異互動”現象真實存在。
但是為什么會有這種現象呢？現在科學家也不知道。
如果你覺得量子物理太匪夷所思、難以理解，這是正常的，因為對于科學家來說，他們也有同感。
“當你思考量子理論時如果沒有感到眩暈，”量子力學創(chuàng)始人之一——尼爾斯·玻爾說，“你就還沒理解它。”
驕傲而聰明的美國物理學家理查德·費曼對量子力學的理解比任何人都深刻，他曾寫到：“我那些物理專業(yè)的學生也不理解量子力學，因為我自己就不理解。”
愛因斯坦被公認為20世紀最偉大的物理學家——頗具諷刺地成為了量子理論的奠基者之一——他從來都不喜歡量子概率，還常說他不相信上帝會擲骰子。
美國諾貝爾獎得主穆雷·蓋爾曼把量子力學描述為“神秘的、令人琢磨不透的學科”，“我們誰都談不上真正理解，我們只是知道怎樣去運用它?！?/p>
量子衛(wèi)星首席科學家潘建偉說：“如果能弄明白為什么會有量子糾纏，我立即死都愿意。”
許多物理學家相信，量子力學一定還有某些因素尚待發(fā)現。
天空是量子糾纏的極限所在嗎？
量子糾纏似乎能無視距離和光速的限制，在測量的一瞬發(fā)生詭異的互動。但在衛(wèi)星上，當“同時”這個概念變得相對時，量子糾纏還能繼續(xù)實驗不敗的神話嗎？
潘建偉說：“我們有了（量子）衛(wèi)星之后，就可以在宏觀的距離上檢驗所謂的量子力學的非局域性?！?/p>
“對量子糾纏而言，在宏觀的大尺度距離上，會不會有什么變化，會不會受到引力的干擾，實驗上還是未知的。在衛(wèi)星的幫助下，我們可以對物理學的一些基本問題做一些基本探索和檢驗，可能有新的物理發(fā)現。”潘建偉說。
他說：“物理學中，大家都追求突破極限，要不就無窮大，要不就無窮小。當你有一種新的能力時，到達新的尺度區(qū)間，如果你發(fā)現對現有物理學偏離的話，新的物理就誕生了。”
（編輯：高杉）
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