全网最普通版本，一篇文章彻底看懂：量子力学的实质毕竟是什么？

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【第三课：量子力学】

量子力学毕竟在讲什么？量子胶葛是什么？量子通讯又是什么？

但是很多人只是听过量子力学的一些看法，还没有构成体系化的认知。

碎片化的认知会形成曲解，但是体系学习又缺乏基本，这也是很多人看不懂量子力学的缘故

文章将从整个量子力学创建的基本逻辑动身，体系串联量子力学的种种征象，最初到量子通讯的原理，十分合适非物理专业的小伙伴们体系地学习量子力学！

但说实话，量子力学很难统筹普通性和严谨性。过于普通会丢失严谨性，但过于严谨，基本上就没人看得懂。案牍我以前改了十几遍，全程没有任何公式，尽最大约莫到达了普通和严谨的均衡点。

起首不要对量子力学中繁复的看法难倒，量子力学无非就是物理实际，物理实际就是对天然征象的总结，以是你面临的不是难懂难懂的量子力学，而是不太容易了解的天然征象。

我们面临的天下，在标准上，无非就是大局和微观天下之分。

而大局和微观天下的分界线就是原子。比原子大的物质，就是大局天下。

比原子小的物质，就是次原子粒子，也就是微观天下。

量子力学研讨的就是微观天下的物理征象。一开头，物理学家以为微观和大局天下的物理纪律是一样的。

但是厥后发觉，微观天下和大局天下几乎没有什么协同点！

假如微观天下和大局天下的征象一样的话，那就没量子力学什么事了，直接用牛顿力学就能形貌微观天下的征象。那如今的物理实际就简便了很多。

微观天下开始让人类以为到怀疑的是：电子绕原子核活动的纪律揣摩不透。

依照以往的思绪，电子绕原子核活动，就是原子核给电子提供了引力和电磁力。引力和电磁力会转化成电子绕原子核活动的向心力，以是电子绕原子核应该是像地球绕太阳一样的圆周活动。

但是厥后发觉，电子的轨道基本就不是什么圆周活动。电子乃至就没有可以确定的轨迹。我们无法算出电子下一秒会显如今哪。

至于为什么会如此，没有人能晓得，天然征象就是如此，你也没有办法。

固然我们不晓得电子下一秒会显如今哪，但是幸而，电子貌似会常常显如今原子核外几个比力安稳的地区。

好比察看100次电子显如今原子核外的地区分布，会发觉电子显如今A地区的次数为20次，b地区为25次，c地区为35次，d地区15次，其他地区为5次。

固然无法准确晓得电子下一秒显如今哪一地区，但是最少可以用统计学形貌电子显如今几个稀有地区的概率。

这就引申出天主毕竟扔不扔骰子的成绩。

在牛顿力学中，只需晓得一个物体起始的速率 质量和受力情况，就能盘算出这个物体在将来某一刻的具体地点。

将来产生的统统是早已被起始形态设定好的。好比你的人生从宇宙诞生的那一刻就以前被设定好了，你能看到这篇文章也是被设定好的。这就是经典的机器决定论，也叫宿命论。

但是电子绕原子核的活动貌似是随机的，电子下一秒显现的地点和初始形态没有确定的线性干系，任何盘算都无法准确得知电子下一秒的地点，以是电子的活动就否定了机器决定论。

除了电子，一切微观粒子的地点都是随机的，必要用概率形貌。而我们人体又是由微观粒子构成，以是这就意味着，人的运气并不是被决定好的，人的意志是可以逆天改命的。

以是有人才说，天主原本是扔骰子的。关于这个成绩，如今仍旧存在争论，本期视频重点不在这里，以是就不再赘述。

我们常常说量子力学，那为什么要叫量子力学，而不叫粒子力学呢？

为什么要用“量子”这个词语，量子毕竟是个啥？

起首你得思索一下，能量是怎样转达的。把一杯热水放凉，是由于热水把本身能量转达给了周围的氛围分子。

热水分子活动比力剧烈，而氛围分子活动比力柔和，当热水分子撞击到氛围分子，就会把动能转达给氛围分子，进而招致活动水平低落，以是热水才渐徐徐凉。这就是能量转达的历程。

不难发觉，能量的转达历程无非就是依托物质之间的互相作用，好比分子之间碰撞。

在热水放凉的历程中，温度从80℃低落到20℃。温度低落是一个一连的历程，正中会履历从20℃到80℃之间的随意一个温度值。好比50.654℃，35.6521℃……等等。

这就意味着在热水放凉的历程中，能量的转达是一连厘革的。

热水放凉是大局天下的能量转达，但在微观天下，能量的转达并不是一连的，而是中断的。

我刚刚以前重申过，能量的转达依托的就是物质的互彼此换。

既然以前到了微观天下，那这内里的物质很有约莫就是最小的物质，好比基本粒子。

基本粒子就是最小的粒子，不克不及再细分了。

而微观天下一切的能量转达实质上都是依托基本粒子互彼此换来完成的，好比光子。

光子只能是一个，两个，三个……，没有二分之一，三分之一 个 光子。以是一个光子携带的能量就是微观天下能量转达历程中的最小单位。

假定一个光子携带的能量的轻重是A（hv）那么能量转达只能说是1A，2A，3A如此的递增历程。不存在1.2A，1.236A，2.58A……如此的历程。以是能量转达的历程并不一连，而是有距离的，这个距离就是1A。

1A代表的就是能量的最小单位，我们赋予这种征象一个新的物理术语，这就是：能量量子化。

以是量子代表的就是一种不成再分的基本单位。在微观天下，只需是不成再细分的看法，都可以叫做量子化，好比光子就是不成再分的基本粒子，以是光子也叫光量子。

这种不成再分的，非一连的量子看法，在微观天下十分广泛，是微观天下的基本征象，而量子力学正是研讨微观天下的实际，以是量子力学才由此得名！

我们常常说微观粒子，招致很多人误以为微观粒子是一种实心的小球。

但是微观粒子的实质更像是一种波。假如要彻底搞懂量子力学，起首就要默许一切的粒子都是波。这种波并非相似水波，声波如此的机器波。

微观粒子都是以波的情势展现的，从而弥漫整个宇宙空间，实际上一切波都可以弥漫到宇宙边沿。固然波的空间标准是无穷远的，但是波的能量屡屡聚会会议萃到某个安稳的空间标准上，从而构成波包。

波包越会萃，就越像粒子。这也是波粒二象性的体现。

内幕上，测禁绝原理正是由波粒二象性形成的。

如今我们将微观粒子想象成一个具有动摇性的波包。这个波包越会萃，就越像粒子，越疏散就越像波。波包有两个明显的物理量，一个是地点，一个是动量。

你可以将波包的地点了解成宽度，动量了解成能量。

假如我们要丈量这个波包（粒子）的地点（宽度），那么就必要用光子撞击波包，经过光子探测到的信息就可以确定波包的地点。

但你会发觉，如此取得的波包地点（宽度）范围比力广，假如想要取得愈加准确的地点，你就必需提高光子的能量去撞击波包，招致波包吸取能量后，愈加会萃，以是宽度就越窄，更像是一个粒子，地点也就测得越准确。

但这时分，地点是丈量准确了，但是波包由于吸取了光子的能量，招致动量增长，以是波包的动量就和起始的动量相差甚远。以是你丈量到的动量信息就越不准确。

假如你要准确丈量波包的动量，就得低落光子的能量，如此一来，波包的宽度就比力大了，以是地点就丈量得越禁绝确。

关于这个征象，海森堡就以为，粒子（波包）的地点和动量信息不克不及同时准确丈量，地点测得越准确，动量就越不准确，反之亦然！并且以为这主要是由于丈量仪器发射的粒子形成的。

但是今世的量子实际以为：海森堡的这种表明并不好坏常准确，丈量仪器固然会对被丈量目标形成干扰，但是这不是主要缘故。

主要缘故是粒子的实质就是波包，丈量波包的准确地点就相当丈量 绳摆产生的动摇地点，这是毫偶然义的，由于波就不成能存在完善的地点，丈量动量也是这个真理，粒子不存在完善的动量。

以是古代物理学以为，测禁绝原理的实质并不是实行仪器形成的，而是微观粒子的内禀属性。

用“测禁绝原理”这一物理名词会误导群众，让人误以为是人类科技伎俩仅限形成的测禁绝。如今测禁绝原理早已被改成不确定性原理的叫法。

微观粒子另有一个十分广泛的特性，那就是态叠加原理。这个原理的数学表明十分难懂，且单调。态叠加就是我们常说的量子叠加。

好比电子的自旋，便是上旋又同时是下旋。这种匪夷所思的征象也令薛定谔怀疑，为了普通地表明量子叠加，以是就将其拓展到大局天下，也就是那只既死又活的猫。

但是你只需将微观粒子想象成波，那就很容易了解量子叠加。

这条波弥漫整个宇宙空间，但并不是匀称分布的，波上有个波包，波包在哪，我们就说这个粒子在哪。

成绩是，实际上这个波包可以显如今这条波上的任何地点上。而波又弥漫整个空间，以是我们才说粒子可以显如今空间上的任何一个地点。

丈量之以是会招致量子叠加态散失，是由于丈量仪器一定必要发射某些粒子探测 被丈量粒子（波），被丈量粒子原先的叠加态就会由于这些粒子的干扰而散失。这就是丈量坍塌效应。（感性讨论延长选择量子擦除实行）

只需我们不去丈量这个波包（粒子），那么波包（粒子）本身就和这条波是一个全体。以是这个波包（粒子）在空间的地点就是叠加在一同的，以是粒子即在这，又同时在那，可以同时处于多个地点。这就是叠加态的体现。

你要是从这种角度了解量子胶葛就十分容易。

两个胶葛粒子但是是同一条波（复合体系），只不外丈量举动会招致这条波坍塌出两个波包（粒子）。

这两个波包在没有丈量之前原本就是协同叠加态的波。

丈量就会招致叠加态散失，变成两个确定的波包（本征态），但是作为察看者的我们来说，仿佛这两个粒子（波包）可以无视空间，而同时作用。这就是量子胶葛的超光速征象。

但是实质来说，胶葛粒子之间原本就是同一个粒子。以是对一个粒子的丈量，但是也就是对另一个粒子的丈量，以是量子胶葛一定是同时产生的！

但量子胶葛这种征象并不存在什么本性上的物质活动，以是就不克不及转达信息和能量。

那为什么我们大局天下的物体不存在量子叠加征象呢？

但是这个宇宙的纪律原本就没有大局和微观天下之分。

实质都是由微观天下的征象主导的，量子叠加才是宇宙中最广泛且最正常的征象。我们之以是无法了解量子叠加，是由于我们生存在叠加态以前坍塌过的大局天下。

基于大局天下总结出的牛顿力学，是先入为主的，以是我们才以为非叠加态才是正常的，叠加态反而不正常。

大局天下的叠加态散失只是由于大局物质的比力大，名高引谤，几乎都市遭遭到种种干扰，好比宇宙中无处不在的光子会撞击大局物质，这种干扰的实质就相当丈量坍塌效应，招致大局天下的叠加态都坍塌掉了，而展现出确定的形态。

最直接的证实就是氛围分子的叠加态，和分子标准上的量子胶葛。

这就证实，即使比原子还大很多的物质，只需不被其他粒子干扰（相当于丈量坍塌效应），仍旧会显现叠加征象。

但在实际中，比分子再大一点的物质就一定会蒙受其他粒子的干扰，以是分子标准以上的物质，叠加态就会由于被干扰（丈量），全部散失掉。

如今我们晓得一个光子就是一个波包，这个波包的很多实质都是叠加态的。假如你要复制这个光子的形态，就得把这个光子一分为二，但是光子是量子，是不成以再分，以是这个办法是被堵死的。

第二个办法就是丈量这个光子的信息，然后依据这些信息重新复原一个相反的光子。但成绩是，由于丈量坍塌效应，一旦丈量就会形成光子原本的叠加态散失，以是你永久无法取得这个光子原本的叠加形态。

这就是单个光子无法克隆的实质。

传统的电磁波通讯，是发射频率上下不同的多量光子，光子频率的上下代表就是0和1。以是窃听者可以在光子转达的历程中偷走少局部的光子，经过这些光子的频率上下才可以解读出通讯的内容。

而量子通讯是使用单光子不成克隆原理 举行量子密钥分发，实际上可以做到信息的相对宁静。

窃听者要窃听电磁波通讯，要么就偷走光子，要么丈量光子。

而单个光子一旦被偷走，那直接就被发觉，如此就证实转达信息的历程以前被窃听，那爽性就不发送信息了。

假如窃听者不偷光子，只是窃听，就会引发丈量坍塌效应，也会被发觉。

只需量子通讯被窃听，就一定会被发觉。以是通讯两边就会丢弃此次通讯

那要是不休窃听，会不会形成通讯持续中缀？

现在来说是如此的。但是信息被窃听并不成怕，可骇的是被窃听了，还被获取了内容。

量子通讯最大的奉献就是得知通讯历程对否被窃听，而不是制止窃听举动。

固然窃听者可以经过持续窃听举动阻断信息的发送。但是我们可以换其他信道传输。

即使其他信道也被持续窃听，招致信息中缀。那还我们另有物理伎俩凑合窃听者。