返朴 2019-05-09 作者：无邪
撰文 | 无邪（量子计算领域从业人员）
最近漫威电影“复联4”（《复仇者联盟4》）火热上映。作为一名伪漫威粉，本打算看场首映的，结果吃惊地发现所有IMAX场不仅满座，预售票价还达到了惊人的二三百！太贵（qiong）了！笔者只好耐着性子等了三天，找了个白天的场次偷偷翘班看了。在电影中，英雄们通过一项“量子技术”成功逆转了当年灭霸一个响指造成的影响：一半生命被随机消失（湮灭）。暂且不提漫威世界的量子技术是否靠谱，作为一名从事量子技术研究的科研狗，见到量子技术居然取代了科幻中常用的相对论效应而成为穿梭时空的新利器，还是感到欣慰的。
穿梭时空！可以回到过去任意时间、任意地点，可以跟过去的自己扭在一起打成一团！可以把物品从过去抢来，带到未来！如果不是编剧及时收手，恐怕干掉过去的自己也不是不可以。在这里，哪怕相对论不敢碰的禁区（因果律），在量子世界里都不叫事。好吧，量子技术成功超越了相对论。以后想时间旅行，不需要虫洞，不需要传送门，只要带上皮姆粒子，带上GPS手环，就可以全宇宙耍流氓了。
《复仇者联盟1》剧照
好了，再继续扯下去的话就要剧透了，也会偏离科普主题，笔者毕竟只是想来蹭蹭热度而已。那么什么是量子？这恐怕是吃瓜群众关于量子主题问得最多的一个问题，或者是第一个问题。而一些谦虚的大科学家则表示“我其实也不懂量子”，似乎背后的意思就是：谁敢说懂量子？这使得我回答这个问题的时候显得尤为紧张。好在复联4已经够扯了，我觉得瓜众们应该不介意再扯一扯。我鼓励大家批评我，子曾经曰过：批评使人进步，错了错了，是“德不孤，必有邻”。相信有批评者就一定有支持者，不是吗？
量子效应为何难以感知
如果要从“量子”这个词是怎么来的讲起，可以去看曹则贤大神的《物理学咬文嚼字》系列。此外，曹天元的《量子力学史话》把整个量子力学发展史用非常通俗的语言梳理了一遍，可以说非常推荐，读完之后还能顺便掌握大量“量子八卦”，简直是饭局茶摊必备谈资。然而，尽管有二曹提供的这么好的教科书式科普，广大瓜众还是会一脸懵地问“什么是量子？” 这个问题，我总结原因有三：首先，网络上关于量子物理的科普其实良莠丛杂，让人无所适从；其次，优秀的科普往往还是要求读者能够静心思考才能有所收获，而现实中大多数人缺乏这种思考的时间或能力；最后，量子力学最基本的假设——波函数及其演化规缺乏经典对应。所以想象量子世界，就好比让人去想象外星人或4维以上的空间，简直无从下脑。
在讲量子之前，首先要有一个基本概念，就是什么情况下才需要考虑量子效应？毕竟现实生活中绝大多数的现象，都是“经典”的：物体在各向同性的三维空间中，以确定的初始条件（位置、速度等），依照牛顿力学规律运动。其中有几个非常重要的尺度，一个是能量尺度，一个是空间尺度，还有一个时间尺度。我们所在的地球，为我们提供了一个室温（约20摄氏度）、常压（1个大气压，约10万帕）的环境。对我们人而言温暖舒适，对量子世界而言却实在是一个“恶劣”的环境！
假如我们能像电影里的蚁人那样，把自己缩小到原子大小，这时我们会发现什么？我们会发现周围空气中的气体分子像炮弹一样飞向自己！这些分子的平均速度达到400米/秒以上，比飞机的飞行速度还快。更可怕的是，它们还极为密集，你只要移动60几个纳米（1米的十亿分之一），就几乎一定会被砸到。即便你站着不动，仅仅100多个皮秒（大约百亿分之一秒）之后你也几乎一定被砸到！这些分子炮弹，可能比你还要重，个头还要大，如果你的反应速度依然如常人的话，那就太悲剧了，因为等你大脑回过神来，你已经被砸了无数次，并且完全不知道自己被撞到哪里去了！再假设有一个观测者（比如钢铁侠）想了解蚁人的路线，而这个观测者观测的时间大概是秒的量级，观测范围大概是厘米范围，那么很容易想象，这位观测者只能看到蚁人的“统计平均”行为，中间的细节全丢掉了。这实际上就是我们现实生活中面临的真实情景，因此我们看到的听到的摸到的，都是经典的，量子效应早已被抹平了。我们在实验室能看到量子效应，是因为我们制造了各种特殊环境，比如极低温、超高真空，同时我们还拥有更为灵敏的观测手段，比如电子显微镜、光电倍增管.…..等等。当观测的尺度与量子效应的尺度匹配时，我们就能够发现量子效应了。要是那个可怜的蚁人的神经反应速度也随着体积的缩小而成比例增加的话，他应该就可以感知到量子效应了。
站在钢铁侠身上的蚁人，这个尺寸离原子尺度可差远啦
用来穿梭时空的不确定性原理
到了量子世界，事情确实会变得诡异。那个原子尺度的蚁人，会变得像“波”，虚无缥缈，直到被撞到那一刻才知道自己身处何地。与“粒子”行为不一样的是，“波”的行为具有一定的非定域性，也就是有分布的，更甚的是，量子力学的”波函数“本身不具有可观测性，它可以是虚的！而一旦被观测，它就会突变到一个可以给出确切物理量的状态，我们叫这个状态为观测量的本征态。这种突变，就是所谓“塌缩”，被认为是瞬间发生的并且是随机的。在测量之前，我们无从得知波函数将会塌缩到哪个测量本征态，所能知道的只有概率。这些行为是如此违反直觉，以至于世界上最聪明的大脑都为之深恶痛绝。爱因斯坦非常厌恶其中的随机性，一直试图证明其中存在某种尚未发现的变量在引导着观测前后的演化过程（隐变量理论）。确实，量子力学从构建之初就广受诟病：波函数到底有没有物理实在性？观测前和观测后都可以用量子力学来描述，为什么“观测中”却那么的不可描述？不过，百年来的大量实验事实证明量子力学可以非常精确地描述大量实验结果，我们必须学会去接受它，不是吗？
有人认为不确定性原理才是量子力学最为本质的东西。事实上，如果我们一开始假定位置和动量之间存在不确定性关系，那么很自然地，我们就能导出能量应该是“一份一份“的，同时还有半个光子（能量量子）的“真空涨落能”。
但不确定性原理又是怎么回事呢？在经典的物理因果律中，我们认为“假如知道现在的确切状态，就可以准确预测未来”，这里面有个潜在的假定就是我们了解了现在的所有细节。不确定性原理则告诉我们，这是不可能的。海森堡用了一个假想的实验来阐述这个原理（最早的时候用的是“关系”这个词，海森堡本人直到上世纪五十年代才接受称其为“原理”的叫法）的：假如我们想用一台显微镜来观察电子的位置，由于显微镜用的是光波，那么位置的测量精度取决于光子的波长，如果要想更加精确地测量位置信息，我们就只能用更短波长的光子。但反过来，更短的波长意味着光子能量/动量更大，而测量过程利用的就是光子与电子的散射，其结果就是动量信息严重丢失了——在观测结束后，我们的电子早就不知所踪了。…
