量子效应
量子力学并非遥不可及的理论——它体现在一系列实验中, 这些实验的结果都违背日常直觉,却又能被精确无误地反复验证。 以下四种效应,标示出人类想象力的边界。
双缝实验
让电子或光子逐个依次穿过两条狭窄的平行缝隙,后方屏幕上——一个粒子接一个粒子地—— 逐渐显现出明暗相间的条纹图案。这正是波同时穿过两条缝隙、彼此叠加增强或抵消 时才会出现的图案。也就是说,每一个粒子似乎都"同时穿过了两条缝隙"。
然而,一旦装上探测器,测出粒子究竟穿过了哪条缝隙,干涉条纹便立刻消失—— 只剩下两团简单的痕迹,恰好是人们对"粒子"行为的预期。仅仅是测量本身—— 而非任何物理干扰——决定了粒子表现得像波还是像粒子。电子双缝实验由克劳斯·约恩松 (Claus Jönsson)于1961年首次完成;而条纹图案确实是逐个粒子累积而成这一点,后来由 皮尔·乔治·梅尔利(Pier Giorgio Merli)、吉安·佛朗哥·米西罗利(Gian Franco Missiroli) 和朱利奥·波齐(Giulio Pozzi,1974-76年)证实,并由外村彰(Akira Tonomura)及其同事 于1989年以令人印象深刻的方式展示。该实验被视为量子力学的核心实验: 理查德·费曼称之为"唯一的谜"。
隧穿效应
按照经典物理学,若粒子的能量不足以越过一道势垒,它必然被弹回—— 就像一颗球滚向一堵墙,却没有足够的动能翻过后面的山丘。然而在量子力学中, 粒子并非一个位置确定的小球,而是一个具有一定延展性的波函数。 这个波函数会延伸进入势垒内部,并且——振幅逐渐减小但不会归零——甚至能穿透势垒本身。
结果是:一个粒子可以以一定的概率出现在势垒的另一侧,尽管按照经典力学的计算, 它本不该"成功"穿越。隧穿效应绝非什么冷门的边缘现象——它是扫描隧道显微镜的原理基础, 使人类得以直接观察单个原子;它驱动着放射性的阿尔法衰变; 它也使太阳内部的核聚变得以发生:若没有隧穿效应,那里的氢原子核其实"太冷",根本无法聚变。
量子纠缠
两个粒子可以被制备在一个共同的量子态中,使它们的属性彼此密不可分地关联在一起—— 这就是所谓的纠缠。在测量发生之前,这两个粒子都没有确定的状态: 只有对其中一个粒子的测量才会"决定"结果——而与此同时,另一个伙伴粒子的结果也随之确定, 且二者精确相关,无论此时两个粒子之间相距多远。
阿尔伯特·爱因斯坦曾讥讽地称这种现象为"幽灵般的超距作用",并坚信其中必定存在 某种预先确定的隐变量来解释这一切。约翰·贝尔(John Bell)于1964年从数学上证明了 如何用实验来检验这一想法——自20世纪80年代以来的一系列实验(其中一些成果获得了 2022年诺贝尔物理学奖)一致证实了量子力学的预言:并不存在隐变量。 需要指出的是:纠缠并不允许以超光速传递信息——单次测量的结果依然是随机的, 只有两个结果之间的关联才是真实的。
量子隐形传态
这个名字容易让人联想到《星际迷航》,但量子隐形传态并不传送物质—— 它将一个精确的量子态从一个粒子转移到另一个粒子上,同时摧毁了原始状态。 这一过程利用了一对预先纠缠好的粒子:在地点 A,将待传输的状态与纠缠对中的 一个粒子一同进行测量。测量结果通过经典方式——也就是不超过光速——传送到地点 B。 到达之后,这个结果使得纠缠对中的另一个粒子能够被转变为与原始状态完全相同的状态。
关键在于不可克隆定理:一个未知的量子态原则上无法被复制,而不破坏原件—— 这与复制一份Word文档或一张照片截然不同。隐形传态绕过了这一限制, 因为它是"转移"状态,而非"复制"状态。2017年,中国"墨子号"卫星成功地将 纠缠光子在地面与轨道之间实现了隐形传态——跨越了1400公里的距离。 这项技术的实际意义主要在于量子计算机和防窃听的量子通信, 而非用于传送物质,更遑论传送生物体。