有关量子力学的Q&A

1.量子到底是什么？

世界上所有的粒子，都不能简单地看作一种点状的粒子，“量子等于点粒子”这种说法是不对的。

量子就是波粒二象性。

二象性指的是一个东西同时拥有两种性质。所有粒子，同时拥有粒子的性质和波的性质，这就叫波粒二象性。

同时用波和粒子的视角描述原子，才能正确的理解量子。

利用波粒二象性，把粒子方程和波动方程统一，就是薛定谔方程。

2.什么是量子隧穿？

量子隧穿是波粒二象性的结果。

用波的视角看，量子隧穿就是一种波碰到了能屏蔽它的物质，把它大部分挡在了外面，而只放了一点点漏过去的现象。

能量太大或者太小都不容易发生隧穿，只能是一个特定的能量值，这是因为排斥力两边的原子核产生了共振。

量子隧穿的理解的过程：

a.（波的视角）一个物体与一个波的频率相同时，物体会发生共振。

b.（波的视角）共振会导致物体产生明显的振动，产生振动就是产生了波，而且，共振时，波的振动幅度会变得比不共振时大很多。

c.（波的视角的总结）所以当我们输入相同的频率时，就会得到很大的振幅。

d.（波粒视角切换）波的频率就是粒子的能量；波的振幅的“平方”就是粒子的概率。

e.（综合之后）所以反应前粒子的总能量等于反应后形成的复合粒子允许存在的总能量时，就会发生共振，导致量子隧穿发生的概率显著增大。

3.为什么波粒二象性是理解万物的基石？

薛定谔方程是量子力学最核心的方程，它利用波粒二象性，把粒子方程和波动方程统一，也就是说你把波的特征输入进去，这个方程能给你输出粒子的特征；或者反过来，你把粒子的特征输入进去，它能给你输出波的特征。

波粒二象性是说波和粒子这两种特征一一对应，永远是同时存在的。

这就是说物质的本性是波粒二象性，刚好可以把原理波的属性和粒子的属性一一对应起来，比如能量E对应于频率υ，动量p对应于波矢量k等。

4. 在一堆瓶子里装着贵金属纳米颗粒的溶液，各种颜色都有，那哪个瓶子里装的是黄金？

答案是所有瓶子里装的都是黄金。

平时看到的黄金是金色的，并不是金原子本来的颜色。金原子本来没有颜色，放在一块儿才有了颜色，而且，只有这块金子足够大，才能变成金色。如果是只有十几至两百纳米的黄金颗粒，那各种颜色都有（和颗粒大小相关）。

金子的颜色是由它的光谱决定的。光谱是由它的内部能级结构决定的。所有物质的内部能级结构都是由量子力学方程算出来的。所以，金子的颜色是由波粒二象性决定的。只不过黄金比较特殊，它的光谱算出来以后，在不同尺度上会呈现完全不同的颜色。其他金属没有它表现的这么夸张。这跟量子力学中的一种叫作“自旋-轨道耦合”的效应有关。

5.世界是确定性的吗？

在量子世界里，位置和速度永远不能同时确定。

在宏观世界，我们可以指定一个物体，测量它现在的位置和速度，再根据这两个物理量，算得下一个时候这个物体的位置。

在量子世界里，一个粒子，我们只能说这个物体在周围空间的任何位置、所有位置、每一个位置，以各种速度在同时运动。

引入叠加态的概念，可以说，位置的叠加态是指粒子同时处于好多位置上，速度的叠加态是指粒子同时拥有好多速度。

在测量之前，粒子既处于位置的叠加态当中，同时也处在速度的叠加态当中。当测量时，如果减小粒子位置的叠加程度，就会增加粒子速度的叠加晨读。反之亦然。这就是量子力学的不确定性原理。

量子世界确实难以测量，但不确定性是它的内在属性，和测量没有关系。

不确定性原理的本质就是，一个粒子身上，有很多一对一对的物理量，它们形成的叠加态都会这样的此消彼长。

这一对一对的物理量，包括位置和速度，也包括能量和到达时间、角动量和偏振角度等等。

单从粒子的视角看，量子世界当然是不确定性的。从波粒二象性的角度看，不确定性中又蕴含着某种确定性。

如果众多粒子组成宏观物体，那么粒子就会通过相互影响，把不确定性限制在一个很小的范围内。这个时候，它们相当于收起了波动性，只体现粒子性，这就是我们熟悉的经典世界。

世界是确定的还是不确定的？这个问题取决于我们采取什么样的视角，任何简单粗暴的答案都会损害我们对这个世界的理解。

6. 为什么量子世界的呈现要依赖于测量？

量子世界从来不直接向你展现它的样子，只有在测量时，它才会呈现一个样子给你看。

量子世界只能通过概率来呈现。这说的是测量量子世界的现象时，可能会产生各种结果，而这些结果会呈现出一定的概率分布。这是因为在量子世界中，物质总是同时处于很多状态中。

7.为什么量子世界会有这样的概率性？

这是因为波粒二象性的存在，波是连续的，无限可分；而粒子不是无限可分的。当研究波粒二象性时，就得按照波的无限可分，把不可分的粒子进一步往下分。这个时候我们唯一能分的，就是粒子出现的概率。

波粒二象性永远存在，所以这些概率永远存在，量子世界只能以概率的形式向我们呈现。

测量方式决定量子概率的呈现方式。测量，就是用宏观仪器去提取量子状态的信息。量子就是波粒二象性，这个概念比粒子高一个维度，就如同用二维画面展现三维世界。

8.在测量的瞬间，量子世界到底发生了什么才出现概率呢？

这个问题还没定论，这也是量子力学不同解释的分歧所在。

量子力学的哥本哈根解释认为，测量的时候，发生了波函数坍缩，量子概率在这个过程中自动出现了。

坍缩指的是，原本波函数算的是粒子在所有位置上的情况，这个景象就像是一大片粒子云；当测量发生时，粒子只出现某一个点上，这个时候，波函数就变成这个点所对应的公式了。

于是哥本哈根解释认为，是测量让前一个瞬间的那一片粒子云，坍塌收缩成了一个点，每次收缩的位置还都不一样，这就是波函数坍缩。这是一个最简单的解释，也是主流的解释。

也有其他的解释，但都很复杂，比如要引入平行宇宙，或者要修改薛定谔方程。

9.量子力学是否满足实在性？

爱因斯坦认为，光子肯定在某一个确定的地方。只不过到底在哪儿，我不知道。这是因为，测量之后看到一堆概率，其实只是表象，它的背后一定隐藏着一个没有概率性的本质，光子的位置就是由这个本质决定的，而且这个本质不会因为你的测量方式而变化。

爱因斯坦认为，不管你测不测量，实在性都必须成立，所以说“上帝不掷色子”。

玻尔的观点是量子力学天生就有概率性，没有实在性。

爱因斯坦认为，量子力学必须同时满足局域性和实在性；但贝尔实验的结果指出，这两个不可能要活一起活；这就意味着，量子的概率性到底是从哪来，仍然是个悬而未决的问题。

关于实在性成不成立，爱因斯坦和玻尔争论的焦点是，“粒子是不是永远走一条路”。

最近几年物理学家的实验证明，光子真的像波函数所说的，会同时经过所有的可能路径，这就是波函数实在性。

10. 世界存在超距作用吗？

引入一个量子力学特有的概念，量子纠缠。它是爱因斯坦提出来的，被称为“鬼魅般的超距作用”。

有一种说法，量子纠缠就像心灵感应，对一个粒子做测量，另一个粒子无论在哪里都会瞬间响应，中间不需要任何时间，这是一种超光速的现象。

但相对论中提出“任何物体都不能超光速”，这其中有些自相矛盾。

量子纠缠就是“瞬间推断”。也就是说两个粒子形成了量子纠缠，我们只要测量了其中一方的状态，就能瞬间推断另一方此刻的状态。

纠缠的状态可以是相同的，也可以是相反的。

纠缠的数量可以是2个，3个或N个。

爱因斯坦当初提出量子纠缠，目的就是为了证明量子力学有错。

爱因斯坦提出的局域性原理是指粒子只受身边事物的影响，而不受远方事物的影响。

测量的影响不能超光速，但断绝关系完全可以超过光速。

在量子纠缠的实验中，我们没有以任何方式超另外一个粒子发出任何信号，虽然违反了局域性，但并不违反相对论。也就是说，相对论不等于局域性。有了量子力学以后，相对论还在，但局域性不成立了。

量子信息指的是必须用波函数才能写清楚的信息。量子信息描述的是波粒二象性。

相对论说的是，经典信息的传播不可能超光速，但它并不限制量子信息。这在量子力学中叫作“不可通信原理”，也就是说不可能利用量子纠缠来超光速传递经典信息。

让一个光子通过一种特殊的装置分裂成两个光子，这是一种非常典型的制备量子纠缠光子对的方法。

11.量子力学只在微观世界有效吗?

量子力学不仅适用于微观世界，在宏观世界也同样适用。比如中子星，中子星的核心有一种典型的量子现象，叫超流，超流是一种量子现象，中子星核心就处于一种宏观的量子状态。在超导、量子霍尔效应、拓扑绝缘体等也存在宏观量子状态。

退相干和波函数坍缩，让量子效应不容易在宏观世界展现。

一般，地球上的宏观量子状态，通常必须在绝对零度附近出现。

退相干指的是相干的性质退化了，也就是说物质的波动特征看起来退化了，粒子特征显得突出了。

对物质来说，同时呈现波粒二象性，就是量子状态。粒子特征特别突出，波动特征就很弱，就成了经典状态。

物理学家会通过控制环境的条件等各种办法，抑制退相干的影响，让它们尽可能长时间地保持量子状态。

12. 力的本质是什么？

日常生活中感受到的力，大都是复合感受。这就好比一束太阳光经过三棱镜分解成多色光。量子力学就相当于三棱镜，力经过量子力学分解后会得到三种不同的排斥力。

第一种是静电排斥力。

第二种是量子力学的不确定性原理。

第三种是泡利不相容原理，也叫这种力为简并力，这是力最主要的来源。

力是一种复合的概念，这些因素的效果的体现也是有层级的。

这种在微观世界是一种样子，在宏观世界是另一种样子的情况，就叫作“有层级”。

最底层不可还原的就是基本相互作用。

两个粒子的相互作用，本质上是两朵云，在不断发出和吸收第三朵云。

按照从强到弱的顺序，排第一的是强相互作用，它一共会扔出八种不同的云，这些云都叫作胶子。有了它，原子核中的质子、中子才能稳定存在。强相互作用的作用距离很短，只在原子核；

排第二的是电磁相互作用，它扔出的云就是光子，它贡献了化学键、分子间作用力、以及各种宏观世界的力，比如表面张力、静电力、磁力等等。电磁力作用距离很远，我们平时能感觉到。

排第三的是弱相互作用，它会扔出三种云，分别叫W+、W-和Z0玻色子。弱相互作用也只在原子核内有效，而且强度很弱，但弱相互作用很重要。

这三种相互作用加上万有引力，就是世界的四大基本相互作用。

量子力学解释这三种，广义相对论解释万有引力。

目前量子力学和广义相对论还没有统一。

力的本质是能量随空间位置变化的剧烈程度。

是力让物质聚拢在一起，不会散架，也是它让物质内部有所排斥，不会崩塌。

13.质量从何而来？

质量是物体惯性的大小。

惯性可以理解为物体不愿意改变自己运动状态的一种属性，而且质量越大，惯性越大。

在失重的时候，引力的效果等于零，但物体的质量还是有差别的。

质量是静止的能量。

质量的本质，就是一种势能。

质量蕴含的势能源自基本相互作用。可以说，基本相互作用产生势能，势能转化为质量。四种基本相互作用都在不同程度上为物质贡献质量，其中，贡献最多的是强相互作用，占比近99%。

我们还有很多物质的质量没有搞清楚来源，要想彻底回答这个问题的全部细节，我们还要等未来的科学进展。