量子力學(xué)自誕生至今已逾百年，可即便過了這么久，人類對它的底層邏輯依舊一知半解。不光普通大眾面對量子力學(xué)時(shí)一頭霧水，就連那些站在物理學(xué)界頂端的科學(xué)家們，也難以完全洞悉量子世界的運(yùn)行法則。

他們能確定的是，量子世界里存在著諸多違背常理的詭異現(xiàn)象，卻始終摸不透這些現(xiàn)象背后深藏的本質(zhì)。接下來，我們就用最通俗的語言，帶大家走進(jìn)量子力學(xué)的世界，看看這個(gè)神秘的理論究竟是什么模樣。

在現(xiàn)代物理學(xué)里，“量子” 是個(gè)至關(guān)重要的概念。簡單來說，只要某個(gè)物理量存在著最小的、無法再分割的基本單元，我們就說這個(gè)物理量是 “量子化” 的，而這個(gè)最小的基本單元就是 “量子”。

這里一定要明確一點(diǎn)，量子并非像電子、光子那樣實(shí)實(shí)在在的基本粒子，它僅僅是一個(gè)物理學(xué)概念。打個(gè)比方，就像 “米” 是長度的基本單位一樣，量子就是某些物理量的基本單位，只不過這個(gè) “單位” 更加特殊，不能再被拆分。

量子力學(xué)是專門描述微觀世界（比如原子、電子、光子等微觀粒子）運(yùn)行規(guī)律的理論，它和我們熟知的經(jīng)典物理學(xué)有著天壤之別，這種差別是顛覆性的，完全突破了我們在日常生活中形成的認(rèn)知，甚至?xí)氐赘淖兾覀儗κ澜绾陀钪娴目捶ā?/p>

除了量子力學(xué)，其他所有的物理學(xué)分支都屬于經(jīng)典物理學(xué)的范疇，像牛頓力學(xué)（我們平時(shí)看到的蘋果落地、汽車行駛等現(xiàn)象都能用它來解釋）、愛因斯坦的相對論（比如衛(wèi)星導(dǎo)航需要考慮相對論效應(yīng)來修正時(shí)間）、麥克斯韋的電磁理論（我們用的手機(jī)信號、電燈發(fā)光都和電磁理論有關(guān)）等，都在經(jīng)典物理學(xué)的框架內(nèi)。

雖然相對論也給我們的宇宙觀帶來了不小的沖擊，比如它提出時(shí)間和空間不是絕對的，會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的變化而改變，但這種沖擊還不是最根本的。因?yàn)橄鄬φ撘廊徽J(rèn)為，我們所處的世界是確定的，是可以被準(zhǔn)確描述和預(yù)測的，因果律（比如有因必有果，春天播種秋天收獲）始終在支配著整個(gè)世界。

可量子力學(xué)對人們世界觀的顛覆，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的想象。在量子世界里，微觀粒子根本不遵守經(jīng)典物理學(xué)的那些定律。那里的一切都顯得模糊不清，我們沒辦法用確定的語言去描述微觀粒子的狀態(tài)，只能用概率來大致勾勒。甚至連我們一直堅(jiān)信不疑、認(rèn)為牢不可破的因果律，到了量子世界也失去了作用。就好像在量子世界里，“原因” 和 “結(jié)果” 的關(guān)系變得混亂了，你沒辦法準(zhǔn)確地說某個(gè)現(xiàn)象是由某個(gè)特定原因引起的。

在我們的現(xiàn)實(shí)生活中，除了因果律，還有一個(gè)鐵律 —— 光速限制。根據(jù)相對論，任何物體和信息的傳播速度都不可能超過光速（光速約為 30 萬公里 / 秒）。可這條在宏觀世界里顛撲不破的規(guī)律，到了量子世界似乎也失效了，而量子糾纏現(xiàn)象就是最好的證明。

量子糾纏，這個(gè)讓愛因斯坦都感到無比困惑的詭異現(xiàn)象，被他稱為 “鬼魅般的超距作用”。

那么，量子糾纏到底是什么呢？當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)微觀粒子發(fā)生相互作用之后，神奇的事情就發(fā)生了：每個(gè)粒子原本獨(dú)有的屬性會(huì)消失不見，它們只會(huì)共同體現(xiàn)出一個(gè)整體的屬性。這就意味著，我們沒辦法單獨(dú)描述其中某個(gè)粒子的狀態(tài)，只能把這些糾纏在一起的粒子當(dāng)作一個(gè)整體來看待。

為了讓大家更容易理解，我們可以做個(gè)通俗的比喻。

想象一下，有一副手套，我們把左手套和右手套分別放進(jìn)兩個(gè)密封的箱子里，此時(shí)我們并不知道哪個(gè)箱子里裝的是左手套，哪個(gè)裝的是右手套。接下來，我們把這兩個(gè)箱子分別送到遙遠(yuǎn)的地方，哪怕一個(gè)送到地球的這一端，另一個(gè)送到宇宙的邊緣，只要我們打開其中一個(gè)箱子，看到里面是左手套，那么我們立刻就能知道，另一個(gè)箱子里裝的一定是右手套。

整個(gè)過程中，并沒有任何信息在兩個(gè)箱子之間傳遞（畢竟它們相隔那么遠(yuǎn)，信息傳遞需要時(shí)間，可我們是瞬間就知道結(jié)果的），但我們就是能瞬間確定另一個(gè)箱子里手套的類型。其實(shí)，這副手套從被放進(jìn)箱子的那一刻起，就處于一種 “糾纏” 狀態(tài)，它們是一個(gè)不可分割的整體。

量子糾纏中的微觀粒子也是如此，糾纏在一起的兩個(gè)或多個(gè)粒子，就相當(dāng)于一個(gè)粒子。不管它們之間相距多遠(yuǎn)，只要其中一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生了改變，另一個(gè)粒子就會(huì)瞬間做出相應(yīng)的改變，就好像它們之間有某種看不見的 “心靈感應(yīng)”。雖然科學(xué)家們已經(jīng)證實(shí)，在量子糾纏的過程中并沒有傳遞任何信息（這也避免了它違背相對論中光速限制的問題），但這種瞬間感應(yīng)的現(xiàn)象，依然讓物理學(xué)家們感到匪夷所思。直到現(xiàn)在，人們也沒有完全搞清楚量子糾纏到底是如何發(fā)生的，它就像一個(gè)未解之謎，等待著科學(xué)家們?nèi)ソ议_謎底。

不過，雖然我們還沒弄明白量子糾纏的本質(zhì)，但這并不妨礙我們利用它來造福人類?？茖W(xué)家們正是利用量子糾纏這種詭異的特性，研發(fā)出了性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)，這種優(yōu)勢甚至可以用 “降維打擊” 來形容。

要想明白量子計(jì)算機(jī)為什么這么厲害，我們得先了解一下傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的工作原理。現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)，不管它的性能多強(qiáng)大、計(jì)算速度多快，其本質(zhì)都是在按照一定的規(guī)則進(jìn)行 “試錯(cuò)” 計(jì)算，而且這個(gè)過程的速度不能超過光速。

我們可以用一個(gè)簡單的例子來理解。

假設(shè)有兩捆電線，每捆都有 100 根，我們要給每捆電線中的 100 根電線分別標(biāo)上 1 到 100 的數(shù)字，但現(xiàn)在我們并不知道每根電線對應(yīng)的號碼?，F(xiàn)在的任務(wù)是，讓兩捆電線中號碼相同的電線連接起來，我們該怎么做呢？

由于不知道每根電線的號碼，我們只能一根一根地去嘗試連接。運(yùn)氣好的話，可能試一次就能把某一對號碼相同的電線連接成功；但運(yùn)氣不好的話，可能要試 100 次才能連接好一對。如果要把所有 100 對電線都連接正確，最倒霉的情況就是，連接第一對時(shí)試了 100 次，連接第二對時(shí)試了 99 次，連接第三對時(shí)試了 98 次…… 一直到連接最后一對時(shí)試 1 次。這樣算下來，總共需要嘗試的次數(shù)就是 100×99×98×……×1，這個(gè)數(shù)字大到難以想象。

雖然現(xiàn)實(shí)中的電子計(jì)算機(jī)不會(huì)這么 “笨”，它的計(jì)算速度非?？欤茉诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)完成大量的計(jì)算的嘗試，但它的核心邏輯和我們剛才說的 “試錯(cuò)” 是一樣的，都是通過一步步的運(yùn)算來找到正確答案。

而量子計(jì)算機(jī)則完全不同，它的工作方式要 “聰明” 得多。對于剛才那兩捆各 100 根的電線，在量子計(jì)算機(jī)的世界里，這 200 根電線對應(yīng)的微觀粒子可以處于糾纏狀態(tài)。由于糾纏狀態(tài)下的粒子能瞬間感應(yīng)到彼此的存在，所以兩捆電線中號碼相同的電線，不需要像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣一根一根去試，而是能瞬間找到對方并連接起來，整個(gè)過程幾乎不花費(fèi)時(shí)間。

當(dāng)然，這只是理論上的情況。在現(xiàn)實(shí)中，要制造出這樣強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)難度非常大。

其中最大的難題就是，要讓大量的微觀粒子保持糾纏狀態(tài)十分困難。微觀粒子非常 “敏感”，很容易受到外部環(huán)境的影響，比如溫度的變化、微弱的電磁干擾等，一旦受到影響，它們的 “波函數(shù)” 就會(huì)發(fā)生坍縮，原本的糾纏狀態(tài)也會(huì)隨之中斷，這樣量子計(jì)算機(jī)就沒辦法正常工作了。

不過，科學(xué)家們一直在不斷努力，試圖克服這些困難，如今量子計(jì)算機(jī)的研究已經(jīng)取得了不少突破，相信在不久的將來，我們會(huì)看到更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)走進(jìn)我們的生活。

除了量子糾纏，量子世界里還有一個(gè)更讓人無法理解的現(xiàn)象 —— 疊加態(tài)。

所謂 “疊加態(tài)”，就是說微觀粒子可以同時(shí)具有多種屬性。比如電子的自旋方向，在經(jīng)典物理學(xué)的認(rèn)知里，電子的自旋要么朝上，要么朝下，只能是其中一種狀態(tài)。但在量子世界里，電子的自旋可以同時(shí)處于朝上和朝下的疊加狀態(tài)。

為了讓大家更好地理解疊加態(tài)的詭異，我們可以用宏觀世界里的擲硬幣游戲來做個(gè)對比。當(dāng)我們把硬幣拋向空中，硬幣在空中轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，我們雖然不知道它落地后是正面朝上還是反面朝上，但我們心里很清楚，硬幣的狀態(tài)只有一種，要么是正面，要么是反面，而且這個(gè)狀態(tài)在硬幣落地之前其實(shí)就已經(jīng)確定了，只是我們暫時(shí)不知道而已。

可如果這枚硬幣進(jìn)入了量子世界，情況就完全變了。

此時(shí)的硬幣不再是 “要么正面，要么反面” 的單一狀態(tài)，而是處于 “既是正面又是反面” 的疊加狀態(tài)。更奇怪的是，當(dāng)我們想知道硬幣到底處于什么狀態(tài)，去觀測它的時(shí)候，硬幣的疊加態(tài)會(huì)瞬間消失，坍縮成 “要么正面，要么反面” 的唯一確定狀態(tài)。

這就陷入了一個(gè) “魚和熊掌不可兼得” 的困境：我們想要看到疊加態(tài)，就必須去觀測，但觀測這個(gè)行為本身會(huì)破壞疊加態(tài)，讓它變成確定的狀態(tài)；如果我們不觀測，雖然疊加態(tài)可能依然存在，但我們永遠(yuǎn)沒辦法知道它到底是什么樣子。

也就是說，我們永遠(yuǎn)不可能親眼看到疊加態(tài)的真實(shí)面貌，只能通過理論去推測和想象它的存在。

不過，雖然我們沒辦法直接觀測到疊加態(tài)，但科學(xué)家們通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了它的確存在，其中最著名的就是電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)我們不觀測電子的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，電子會(huì)表現(xiàn)出波動(dòng)的特性，它可以同時(shí)穿過兩條狹縫，在屏幕上形成明暗相間的干涉條紋，這說明此時(shí)的電子處于 “既是粒子又是波” 的疊加態(tài)；可當(dāng)我們用儀器去觀測電子的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，電子的波動(dòng)特性就消失了，它只會(huì)像粒子一樣穿過其中一條狹縫，在屏幕上形成兩個(gè)清晰的亮斑，這說明電子的疊加態(tài)因?yàn)橛^測而坍縮成了粒子態(tài)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)清晰地證明了疊加態(tài)在量子世界里是真實(shí)存在的。

量子力學(xué)中的疊加態(tài)，其實(shí)也是不確定性的一種表現(xiàn)形式。而愛因斯坦和薛定諤等物理學(xué)界的大佬，對這種不確定性和疊加態(tài)非常反感。為了反駁哥本哈根學(xué)派（當(dāng)時(shí)量子力學(xué)的主流學(xué)派，他們主張用概率和不確定性來詮釋量子世界）關(guān)于量子世界的不確定性詮釋，薛定諤提出了著名的 “薛定諤的貓” 思想實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是：把一只貓放進(jìn)一個(gè)密封的箱子里，箱子里還放有一個(gè)放射性原子核、一個(gè)裝有劇毒氣體的容器和一個(gè)觸發(fā)裝置。如果原子核發(fā)生衰變，就會(huì)觸發(fā)裝置，打破裝有劇毒氣體的容器，貓就會(huì)被毒死；如果原子核沒有發(fā)生衰變，觸發(fā)裝置就不會(huì)被激活，貓就能活下來。根據(jù)量子力學(xué)的疊加態(tài)理論，在我們沒有打開箱子觀測之前，原子核處于 “衰變” 和 “未衰變” 的疊加態(tài)，那么由此推斷，貓也應(yīng)該處于 “死” 和 “活” 的疊加態(tài)，也就是 “既死又活” 的狀態(tài)。

顯然，在現(xiàn)實(shí)世界里，這樣 “既死又活” 的貓是不可能存在的，無論是從科學(xué)還是哲學(xué)的角度來看，這種狀態(tài)都違背了我們的常識。

薛定諤提出這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，原本是想通過把微觀世界的疊加態(tài)引入宏觀世界，來揭示量子力學(xué)不確定性詮釋的荒謬之處?？蓻]想到的是，這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)反而引發(fā)了物理學(xué)界對量子力學(xué)更深入的討論。

越來越多的物理學(xué)家開始嘗試詮釋 “薛定諤的貓” 所帶來的困惑，在這個(gè)過程中，也推動(dòng)了量子力學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新奇的理論，比如平行宇宙理論（認(rèn)為在我們觀測的瞬間，世界分裂成了兩個(gè)平行的宇宙，一個(gè)宇宙里貓是活的，另一個(gè)宇宙里貓是死的）、虛擬世界理論（認(rèn)為我們所處的世界可能是一個(gè)虛擬的程序，量子世界的詭異現(xiàn)象只是程序的 “漏洞”），還有更具說服力的退相干理論（認(rèn)為宏觀物體之所以不會(huì)表現(xiàn)出疊加態(tài)，是因?yàn)樗鼈兣c周圍環(huán)境的相互作用非常頻繁，導(dǎo)致疊加態(tài)迅速消失，也就是 “退相干” 了）。

看到這里，可能很多人都會(huì)覺得量子力學(xué)實(shí)在太詭異了，甚至有些 “反常識”。

但實(shí)際上，量子力學(xué)中的這些詭異現(xiàn)象并不是科學(xué)家們的猜測或假說，而是經(jīng)過無數(shù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)的客觀事實(shí)。更重要的是，雖然量子力學(xué)的核心思想是不確定性，但它卻是一門極其精確的理論。在描述微觀粒子的運(yùn)行規(guī)律時(shí)，量子力學(xué)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果的吻合程度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他任何一門物理學(xué)理論。

而且，即便物理學(xué)家們至今還沒有完全弄明白量子力學(xué)的底層邏輯，這也絲毫沒有影響它在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用。除了前面提到的量子計(jì)算機(jī)，量子力學(xué)還廣泛應(yīng)用于其他很多領(lǐng)域。

比如量子化學(xué)，科學(xué)家們利用量子力學(xué)的原理，研究原子、分子的結(jié)構(gòu)和相互作用，從而開發(fā)出了新的化學(xué)材料和藥物；在能源領(lǐng)域，超導(dǎo)磁體的應(yīng)用就離不開量子力學(xué)，超導(dǎo)磁體不僅體積小、重量輕，而且能產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，被廣泛用于核磁共振成像（MRI）、粒子加速器等設(shè)備中；我們?nèi)粘Ｉ钪须x不開的手機(jī)、電腦、電視等電子產(chǎn)品，其核心部件 —— 二極管、晶體管和半導(dǎo)體芯片，也是基于量子力學(xué)的原理制造出來的。可以說，沒有量子力學(xué)，就沒有我們今天如此便捷、智能的生活。

最后，我們不妨大膽地猜想一下：也許微觀世界的不確定性和隨機(jī)行為，才是這個(gè)世界最本質(zhì)的樣子，而我們每天看到的、感受到的那個(gè)穩(wěn)定、確定的客觀世界，只不過是我們的一種錯(cuò)覺。當(dāng)然，這只是一個(gè)猜想，至于真相到底是什么，還需要科學(xué)家們在未來的研究中不斷探索和發(fā)現(xiàn)。

總之，量子力學(xué)雖然詭異難懂，但它卻是一門充滿魅力和潛力的學(xué)科。它不僅改變了我們對世界的認(rèn)知，也在不斷推動(dòng)著科技的進(jìn)步。相信隨著人類對量子力學(xué)研究的不斷深入，我們終將揭開它神秘的面紗，找到它的底層邏輯，讓量子力學(xué)為人類的發(fā)展帶來更多的驚喜。