科学建模很高兴来回答这个问题。从一个直观的角度上来说,量子是一种数学概念,不是某一种特定实际存在的物理粒子,当我们说粒子处于某种随机不确定状态时,就可以称之为处于量子态。理解了这个概念后,我们就可以说一个原子处于一个量子态,一个光子处于某个量子态,或者一对电子处于某个量子态,甚至一个分子也可以处于某种量子态。
当真实的粒子处于量子态时,我们就可以用量子来描述它。因此,更准确地说,我们把量子看作是一种数学上定义的一种特殊的形式,用来描述微观世界实际物理粒子所呈现出的一些特殊的物理性质。这些物理性质无法用传统的数学手段来表示,因此,科学家发明了量子这种数学符号形式和相应的计算方法来表示实际的物理性质。
量子的核心是量子态,与经典物理,宏观物理截然不同,量子态不是确定的状态,而是一种随机概率形式存在的状态。
在经典力学世界中,所有的观测结果都是确定的。我们打个比方,当我们观测一辆汽车的速度,测量一个子弹的速度,或者称量一个砝码的重量时,得到的一定是一个确定的数值,比如60 km/h,2000m/s,或者400g等等。
当然,你可能会说测量的速度或质量不一定准确吧。是的,只要是测量就一定会有误差,但是这并不影响我们说车的速度是确定的,一定是某一个值,虽然不一定是正好60km/h,也可能是59.8km/h,但那只是因为我们测量的精度带来的误差而已,不考虑误差,我们说,汽车此时的速度一定是一个确定的值V。
但是,进入量子世界,一切变得不确定了。如果我们在量子世界里测量一辆汽车的速度,此时,我们会得到一个不确定的速度,换句话说,你此时测量可能得到一个60km/h的速度,下一刻测量,汽车的速度可能就是0,而又下一刻去测量可能变成了100km/h。而这种变化并不是汽车本身所控制的,更像是汽车的速度实际是一个随机的数值,我们每一次观测都会得到一个不同的数值,这些数值出现的概率则符合某种特殊的分布。这种微观世界的不确定性已经无法用经典的物理学公式模型来解释。即便是爱因斯坦的相对论也无法处理这种状态的随机性。
这种现象在微观粒子世界大量存在,比如一开始我们认为原子核外电子所处的状态就像行星围绕太阳一样在高速旋转,不同能量的电子处于不同的轨道上围绕原子核做高速运转。
但是,随着观测进展,我们发现电子所处的位置并不是固定的,一会儿在这个轨道上,一会儿又在另外一个轨道上,完全不是固定的。这种情况下,经典的物理模型面临改变。
如何描述电子的这种随机四处跑的状态呢?科学家为此提出了一种新的数学工具,不再用确定一个数值V来描述物体的状态,而是用一组概率值来描述物体的状态。
比如,我们假定一个电子可以出在两种能量状态上,那么处于第一种状态的概率为0.8,那么处于第二种状态的概率为0.2,我们就用<0.8, 0.2>这两个数值来表示这个电子的量子态。这一对状态我们可以称为一个量子。
这个电子真的是就这样随机的存在吗?这个我们不得而知,处于量子态的电子只是一个电子当前的状态的一种描述,一旦我们对这个电子的状态进行观测,就会落在这个量子态中的一个状态上,落入这个状态的概率是0.8,落入另一个状体的概率是0.2。
只有在观测以后,我们才能确定光子具体落入那一个状态,这就是量子态。
我们用这种方式来描述这种微观世界的不全定性和由观测带来的量子态塌缩。因此,我们说量子实际上是一个数学模型的名称,用来描述微观粒子呈现的多种奇特的属性。
再来说说一种更为奇特的量子效应,量子纠缠。上面我们讲了一个粒子以某个概率处于一个状态中,这样,用一组概率就可以描述这个粒子的性质了。
如果我们把两个粒子一起考虑,就会有更为奇特的现象了。我们将定粒子1可以处于A状态或B状态,而粒子2也可以处于A状态、或B状态。当我们把两个粒子同时考虑是,粒子1和2就形成一个量子联合体,他们能处于的状态就是两个粒子各自状态的组合:
AA,AB,BA,BB
即四种状态,他们处于这四种状态中的任何一种也是以概率的形式来描述。分别是P(AA), P(AB), P(BA), P(BB),它们的和为1。
最奇妙的时刻来了,我们在把两个粒子联合起来考虑的时候,有一种特殊的情况,P(AB)=P(BA)=0,P(AA)>0,P(BB)>0的情况下,我们看出来,两个粒子只能处于一个状态相同的情况,要么都在状态A,要么都在状态B,这种时刻就是量子纠缠态。
无论这两个粒子是否挨在一起,一旦它们两个进入量子纠缠态,那么你只要观测其中的一个粒子的状态,就能立刻推知另外一个粒子的状态了。
比如,我们让两个相隔1公里的光子1和2进入纠缠态,然后去观测其中的光子1,如果光子1处于A状态,那么一公里外的光子2一定也会进入A状态;如果光子1处于B状态,则光子2也一定会进入B状态。
这种作用是超距的,瞬间的,可以说是超光速的。当然,实际上我们还是没有办法用这种方式来传递信息。因为观测后进入的状态其实是不能控制的,可能进入A状态,也可能进入B状态,概率是相同的,我们唯一能确定的是光子被观测了。
借助量子纠缠态可以用来对通信信道进行监控。简单的说,我们在发射无线电信号时间隔着发送一对纠缠态的光子中的一个到对方,如果这个纠缠态的光子塌缩了,那么就说明这一段信息已经被观测过了,从而信息有可能被窃取了。
其他比如量子擦除效应,量子延迟选择现象也非常有趣,可能会对我们人类的世界观认知产生冲击。当然目前最有可能有价值的是量子计算机。量子计算机借助量子比特来表示更多的信息,从而能够完成一些传统计算机可能无法完成的并行计算。
量子理论还处于一个发展期,仍有很多的未解之谜等待科学家去探索解决。
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