千年以來，科學(xué)家一直在追問一個(gè)最基本的問題：物質(zhì)是由什么構(gòu)成的？現(xiàn)在我們知道所有的物質(zhì)都是由電子和夸克構(gòu)成的，它們都是基本粒子。所謂的基本粒子是指它們不能由更小的粒子構(gòu)成。正是這些基本粒子組成了原子，比如氫和氧，以及分子，比如H2O。
△原子：由電子和原子核構(gòu)成。原子核由質(zhì)子和中子組成，而這兩者又分別由夸克組成。
原子和分子是構(gòu)成這個(gè)世界的樂高積木。為了理解這個(gè)微觀世界是如何運(yùn)作的，科學(xué)家就需要運(yùn)用量子理論。
這個(gè)理論有許多非常詭異的預(yù)言（比如粒子可以同時(shí)處于兩個(gè)不同的地方），但它同時(shí)是物理學(xué)中最經(jīng)得起考驗(yàn)的理論之一。
它是支撐我們身邊見到的科技的基礎(chǔ)，包括你現(xiàn)在正在使用的手機(jī)中的芯片，也是智能手機(jī)之所以智能的原因。
它很奇怪，但它是對(duì)的，而且非常重要。
2.等等，說了半天，“量子”究竟是什么意思？
你拿著一罐花生醬走到廚房中，你可以決定把它放到操作臺(tái)面，或著臺(tái)面上架子的某一層。但你不能把花生醬放在架子的層與層之間。在物理學(xué)上，廚房的架子的層就是所謂的“量子化”。意味著它們是有級(jí)別的。
△氫原子中，電子可以在不同能級(jí)中躍遷。
在量子世界，所有的東西劃分成不同的級(jí)別。舉個(gè)例子，原子中的一個(gè)電子可以處于其中眾多“能級(jí)”中的一個(gè)，能級(jí)就像廚房中的架子上的不同層。在量子世界中，只要用正好的能量將電子踢一下，它就會(huì)立馬從一個(gè)能級(jí)跳到另一個(gè)能級(jí)。這叫做量子躍遷。
舉一個(gè)你或許更熟悉的例子，如果你現(xiàn)在駕駛的是一輛量子車，你可以以5公里/小時(shí)，10公里/小時(shí)，30公里/小時(shí)的速度駕駛，但不會(huì)在它們之間。也就是說當(dāng)你換檔的時(shí)候，車子的速度會(huì)立馬從5公里/小時(shí)跳到20公里/小時(shí)。這個(gè)改變是瞬時(shí)的，所以你甚至不會(huì)感受到加速。這又是另一個(gè)量子躍遷。
3.經(jīng)常聽到經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)，它們的區(qū)別是？
微觀世界所服從的一套規(guī)則跟我們習(xí)慣的“經(jīng)典”世界非常不同。物理學(xué)家所謂的“經(jīng)典”相對(duì)于“常識(shí)”，也就是某些東西的行為方式跟你日常經(jīng)驗(yàn)中所預(yù)期的一樣。
△紅色區(qū)域代表量子諧振子的概率密度，藍(lán)色曲線則表示經(jīng)典概率分布。在這個(gè)情況中量子數(shù)n=0.
一個(gè)臺(tái)球就是一個(gè)“經(jīng)典物體”（它在桌子上會(huì)直線的滾動(dòng)），但是一個(gè)單獨(dú)的原子則服從量子規(guī)則（很容易在綠色的桌面隨時(shí)消失）。
△量子數(shù)n=50。隨著量子數(shù)的增加，量子效應(yīng)逐漸消失，越來越向經(jīng)典靠近。
當(dāng)有足夠多的原子結(jié)合在一起，奇怪的量子效應(yīng)就會(huì)逐漸消失，它的行為又變得經(jīng)典了。這就是玻爾的“對(duì)應(yīng)原理”。
4.什么是海森堡不確定性原理？
在量子物理中，有一些東西基本上是不可知的。例如，你不可能同時(shí)知道一個(gè)電子在哪里以及它要去哪里。也就是說，不可能同時(shí)精確地確定一個(gè)粒子的位置和速度，這就是海森堡不確定性原理。
△我們永遠(yuǎn)無法同時(shí)知道粒子的位置和速度。
理解這個(gè)原理的其中一個(gè)方式是通過相關(guān)的觀測(cè)效應(yīng)——對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)如何改變其結(jié)果。舉個(gè)例子，為了找出電子在哪里，你必須用某些東西（比如組成光的光子）來探測(cè)它。但是，為了探測(cè)電子的位置，光子又會(huì)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向。雖然電子告訴了你它的位置，但卻不知道它接下來要去哪里。
但是，不確定性的來源事實(shí)上更加深入以及令人驚訝。不確定性原理之所以存在是因?yàn)橛钪嬷械娜f物都同時(shí)表現(xiàn)的像波和粒子。這就是所謂的波粒二象性。不確定性原理揭示了自然的內(nèi)在模糊性。
5.什么是波函數(shù)？
量子力學(xué)的核心方程是薛定諤方程，它就好比是牛頓第二定律在經(jīng)典力學(xué)中的位置。它看起來是這樣的：
該方程的解即為波函數(shù)Ψ(x,y,z,t)，括號(hào)中的x,y,z代表三維的情形。量子波函數(shù)可以有許多可能的解。令人稱奇的是不同的可能解看起來可以相互作用，形成處于中間或不定的狀態(tài)，稱為疊加態(tài)。好像它們結(jié)合在一起才能正確的描述我們宇宙的現(xiàn)實(shí)。
6.可不可以多解釋一下什么是疊加態(tài)？好像跟一只貓有關(guān)？
試想一下，將一只貓關(guān)在一個(gè)盒子里，并裝有一小瓶的氰化物。在瓶子上有一根用弦吊住的錘子。如果有一個(gè)隨機(jī)的量子事件發(fā)生（比如，鈾原子的衰變），就出使錘子落下打碎裝有氰化物的瓶子。
1935年，奧地利物理學(xué)家薛定諤提出了這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來傳達(dá)疊加態(tài)的概念。
原子的衰變服從量子定律，因此它的波函數(shù)有兩個(gè)解：衰變和不衰變。如果鈾發(fā)生衰變，就會(huì)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會(huì)死；如果鈾不發(fā)生衰變，貓就存活。
從量子力學(xué)的角度來看，在我們打開盒子之前，放射性的鈾處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓?zhí)幱谏蛩赖寞B加態(tài)，這就是所謂“薛定諤貓”。
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