极简量子物理

一. 什么是经典物理

18至19世纪，科学知识发生了这指数性增长。牛顿力学、电磁学、热力学取得了非凡的成效，各种物质：桌子、椅子、钟表、炮弹、汽车等等都能成功的被这三个领域的知识所描绘其运动与行为。

二. 什么量子物理

经典物理学只能解释宏观物体的运动与行为，但是要描述一个粒子（比如：电子）的运动方式，只能用量子物理解释。量子物理的诞生，彻底颠覆了人们的常识，让我们看看微观世界到底怎么了？

1. 什么是量子

发热体表面物质以一定的离散频率振动，导致热能只能通过微小而离散的能量团进行辐射，这些能量团再不可分，他们被称为“量子”。

量子的概念最先被普朗克提出，后来发现包括光在内的所有电磁辐射都是量子化的，而非连续的。爱因斯坦也因为从这个角度考虑光的特性，成功的解释了“光电效应”而获得诺贝尔物理学奖金。但是，有大量的证据也表明光像是扩散而连续的波。这是为什么？怎么可能既连续又离散呢？

2. 电子跃迁

玻尔发现，在原子内部，电子并非绕着原子核旋转。如果真的是这样，根据经典物理学，带正电的原子核会促使带负电的电子持续释放光能，电子会很快失去能量，并朝着原子核螺旋运动，导致原子塌缩。而事实上电子没有发生这种情况，为什么？

为了解释原子的稳定性，波尔认为，电子不是自由的占据原子核外的任意轨道，而是占据着某些固定的轨道。电子只能从一个轨道跃迁到下一个较低的轨道，并释放与两个轨道的能级差完全相同的能量团，也就是量子。相应的，如果电子跃迁到一个较高能级的轨道上，就要吸收一个相应能级差的能量。

3. 测不准原理

海森堡认为，我们不可能同时知道粒子的位置和速度，我们不观测粒子的时候，它的位置和速度都不可知，只有当我们观测它的时候，才能准确的知道它的位置，或者准确的知道它的速度。粒子的特性完全取决于观测者，而不是客观存在。

比如：白马真的是白的吗？它的颜色取决于观察者的设备，因为人眼对反射光有确定的接收频率，而颜色是由频率决定的，所以我们看到的是白马。如果此白马被其他接收不同可见光频率的眼睛看到后，一定不是白色的。

4. 波动方程

薛定谔发现，电子并不是一个在原子内部做绕核运动的、位置不可知的、模模糊糊的粒子，而是在原子内传播的波。薛定谔将一个没有被观测的粒子描述成为一种物质波，只不过我们一观测，物质波就塌缩成了一个离散的粒子，这个过程，也叫作退相干。后来，薛定谔的原子理论发展成了波动力学。波动方程的解不会告知电子在特定时间点的确定位置，而是提供了一个数集：当我们去测量电子的时候，电子在不同位置出现的概率各有多大。

只要不去测量，电子会同时出现在多个地方。波动方程覆盖整个空间。我们的极限就是计算出电子同时存在于空间各点的概率，而不能在一个特定位置找到电子。这并不意味着认知缺陷，我们也无法通过获得更多的信息弥补此缺陷，概率本事就是微观世界的本质特性之一。

5. 量子隧穿

电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”，这就是量子隧穿现象。这是因为根据量子力学，微观粒子具有波的性质，而有不为零的概率穿过“墙壁”。

对于电子，什么是“墙壁”呢？比如：在两块金属（或半导体、超导体）之间夹一层厚度约为0.1nm的极薄绝缘层，由于电子不易通过绝缘层，因此绝缘层就像一个“墙壁”。假设电子开始处在左边的金属中，经过试验发现，该电子能够穿越“墙壁”来到右侧的金属中。

6. 量子纠缠

这个更炫。

1982年，阿斯沛和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子之间存在着一种叫作量子纠缠的关系。在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，都一直保持着纠缠的关系，对一个粒子扰动，另一个粒子（不管相距多远）立即（瞬间）有反应。如果观测其中的一个粒子，两个粒子都在瞬间塌缩，不管相聚多远，两个粒子之间在瞬间完成了通讯。

7. 宏观物体为什么没有量子特性？

任何一个宏观物体，比如我、篮球等都是由无数个基本粒子组成的。既然每个基本粒子都在量子力学的控制下，一个宏观物体为什么不能表现出量子隧穿现象、量子纠缠现象呢？

宏观物体由成千上万的大量粒子组成，粒子之间发生碰撞，从而破坏了粒子波动性，也就是粒子瞬间塌缩，从而我们宏观物体没有表现出量子特性。