GGV有話說：
尼爾斯·玻爾
曾說，“如果有人在第一次和量子理論打交道時沒有感到震驚，那他一定無法了解它”。
就連理查德·費曼這樣的天才，都很有把握地說，“沒有人懂量子力學”。
這或許是因為，對于生活在日常世界的我們來說，量子世界實在太反直覺了。量子領域出現了許多詭異的現象，讓我們無法了解，甚至難以相信。
但正是這種令人難以置信的理論，卻成了目前最精準的理論之一，構築了現代實體學的基石。
今天的GGView，就介紹5種詭異的量子現象，讓我們前往量子領域一探究竟。
在我們日常生活中，物體看起來都是連續變化的，比如從高處墜落的小球，一飛沖天的火箭，不斷流淌的溪水……但從微觀世界的粒子角度來看卻并非如此。對微觀粒子來說，變化的實體量存在一個“最小值”，這就好像爬梯子或者下樓梯，隻存在一階一階的狀态，而每一級台階就是變化的最小量。
1900年，馬克斯·普朗克（Max Planck）發表黑體輻射公式，假設電磁波（比如光）的能量不是連續發出的，而是以離散的“量子”形式釋放，提出了能量的量子化假設。量子化開始僅作為一種數學技巧應用，但它卻能夠解釋許多實體現象，成為量子力學中的基礎概念。
1935年，實體學家埃爾溫·薛定谔（Erwin Schrödinger）為了質疑量子力學對疊加的诠釋，提出了“薛定谔的貓佯論”。在他的思想實驗中，他将微觀的疊加态原理推廣到了宏觀領域。從直覺出發，貓處于“死”和“活”的疊加态聽起來就十分荒謬。
然而有意思的是，它後來恰恰成了解釋疊加的最著名例子。盡管我們從日常經驗出發很難了解這個概念，但對微觀粒子來說，同時處于不同的狀态是可能的。如果我們把粒子比作玻璃珠，這顆玻璃珠放在碗中來回搖擺，在經典世界中，它要麼出現在左邊，要麼出現在右邊，而對粒子來說，它可能同時出現在左右兩邊，這就是疊加。
這一現象對量子資訊技術非常重要。在經典計算機中，一個比特的狀态隻能是0或1，但量子比特卻允許0和1的同時存在。利用這種原理，通過巧妙的算法設計，就可以達到快速計算的能力，這也是量子計算機的基礎。
事實上，疊加的狀态是非常脆弱的。如果用薛定谔的貓的例子來解釋的話，人們在打開盒子的一瞬間，貓的“既生又死”的狀态就會因為人的觀察而不複存在——它要麼是活的，要麼是死的。
在量子力學最著名的雙縫實驗中，如果向雙縫發射電子，在沒有觀測的情況下，電子會處于“同時穿過左縫和右縫的疊加态”，進而在螢幕上産生幹涉條紋。然而當觀測者存在時，幹涉條紋也就消失了，因為觀測本身幹擾了系統，退相幹的現象就此産生。
目前，一些高精度的探測器，例如LIGO中使用的幹涉儀，都是建立在量子性上，而退相幹現象的出現正是這類精密儀器共同面臨的主要問題之一。因為退相幹的存在，量子計算機對運作環境的要求十分苛刻，這也是量子計算機發展中需要解決的關鍵問題之一。
量子力學中的另一種最具代表性的詭異現象被稱為糾纏，這是一種連愛因斯坦都無法了解的現象，他稱之為“鬼魅般的超距作用”。
簡單了解，糾纏就好像是把量子“連接配接”在一起，無論相距多遠，即使你把一個粒子放在地球上，另一個粒子送去另一個星球，它們之間也能保持着一種特殊的關系，并且瞬間共享它們的某些狀态。
粒子在産生這樣的互相作用後，它們之間就成了不可分的整體系統。這就好比，在課程表中隻有國文課和數學課，那麼它們在某種意義上也是“糾纏”的，隻要知道其中一門課程的時間，就可以推算出另一門課的安排。類似的，在糾纏的量子系統中，通過其中一個的狀态，就可以知道其他糾纏的粒子的狀态。是以這一現象在量子計算、量子通訊中發揮了重要作用。
為了了解隧穿，我們可以把勢壘想象成一座山。一個自身能量小于山峰勢能的微觀粒子位于山的左側，按照經典世界的經驗，這個粒子絕對爬不到右側。但是當你過段時間再去觀察這個粒子，你可能會發現它通過“穿山而過”成功抵達了右側，這種“穿越”的現象就叫作量子隧穿效應。
隧穿是微觀世界特有的現象，正如大衛 · 格裡菲斯（David Griffiths）教授在他的量子力學教材中所寫，“即使粒子也有被比自身能量低的勢壘反射回來的機率，我也不建議你開車駛下懸崖指望量子力學來救你”。
因為隧穿效應的存在，放射性元素能夠發生α衰變，進而帶來了自然中的元素演變。除此之外，隧穿效應也是現代電子學技術的基礎之一，促進了電子顯微鏡的發展，比如掃描隧道顯微鏡就是根據隧穿效應的原理而制成的。
#創作團隊：
選題：杭州小張
策劃：Takeko
文字：原理實習生 靜桑、辰依醬、陳陌
編輯：Takeko、hzxz
圖檔設計：毛尖尖
動畫視覺：毛尖尖
#參考來源：
https://www.nist.gov/topics/physics/introduction-new-quantum-revolution/strange-world-quantum-physics
https://www.livescience.com/33816-quantum-mechanics-explanation.html
https://jqi.umd.edu/glossary/quantum-superposition
https://www.scientificamerican.com/article/quantum-physics-may-be-even-spookier-than-you-think/
Monroe, C. , et al. "A "Schrdinger Cat" Superposition State of an Atom." Science 272.
https://jqi.umd.edu/glossary/entanglement
https://www.quantamagazine.org/entanglement-made-simple-20160428/
https://www.chemistryworld.com/news/explainer-what-is-quantum-tunnelling/4012210.article
https://www.cell.com/trends/chemistry/fulltext/S2589-5974(20)30215-X
（美）大衛·格裡菲斯 著. 量子力學概論（第二版）. 賈瑜等譯. 北京：機械工業出版社，2009
#圖檔來源：
封面：NSF
背景：tanakawho under cc by via flickr
地球：kristian fagerström under by sa via flickr
星球：Tyrogthekreeper under by sa via wikimedia commons
*“本文經授權轉載自微信公衆号「原理」（ID：principia1687）”