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我们所能感受到的世界，遵循着一套被称为宏观世界经典力学的规则；相对的，量子力学所研究的微观世界则遵循着一套截然不同的物理规则。本书将会重点介绍量子力学中的奇妙现象，以及目前科学界针对这些奇妙现象的诠释。本书通过简单易懂的文字和图片，向读者展示了量子世界中的概念、实验、学术争论，让没有物理学基础的读者也可以领略量子力学的魅力，特别适合小学高年级学生、初中生了解量子力学的基本概念，同时也可丰富每一个人的科学知识。
书名：1小时漫游量子世界
ISBN：978-7-115-57685-9
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著 Alien老吴 陈莞荑
责任编辑 赵 轩
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 http://www.ptpress.com.cn
读者服务热线：(010)81055410
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我们所能感受到的世界，遵循着一套被称为宏观世界经典力学的规则；相对地，量子力学所研究的微观世界则遵循着一套截然不同的物理法则。本书重点介绍量子世界中的奇妙现象，以及目前科学界对这些现象的诠释。本书通过简单易懂的文字和图片，向读者展示了有关量子力学的概念、实验、学术争论，让没有物理学基础的读者也可以领略量子力学的魅力，特别适合小学高年级学生、初中生了解量子力学的基本概念，同时也可丰富科学知识。
2018年夏天，当我坐在办公桌前思考如何提升业绩的时候，怎么也不会想到，自己竟然能在半年之后毅然决然鼓起勇气，在家人的支持下放弃之前的工作，转而做了一名科普视频自媒体创作者；更让我想不到的是，只因做了短短几期量子主题的节目，我就得到了如此多观众朋友们的认可……
总有人问我：“老吴，你怎么想起做量子力学的选题呢？”
我总是笑答：“还不是因为这类选题流量大，可以多挣一些钱啊！”
量子世界中的神秘现象与我们普遍认识的宏观世界的现象大相径庭，历史上的物理学天才们对量子力学的解读也都是“云山雾罩”，神秘而迷人，比如著名的“杨氏双缝实验”“哥本哈根诠释”“薛定谔的猫”等。因此，量子力学的科普节目很容易得到观众的认可。
但除了这个现实原因，老吴觉得，量子力学的相关应用在现实世界中有极其重要的作用。老吴甚至认为它决定了人类文明的发展方向，乃至人类的生死存亡。比如书中介绍的“量子锁定（量子悬浮）”“量子计算机”“量子加密”等技术，如果真能在我们的生活中应用起来，那么将会大大改变人类的生活方式。
老吴特别要跟大家说明的是，编写本书的初心，可不是指导大家去系统学习量子力学，因为早有数不清的科学家在不断地丰富和完善这门学科的核心理论，并不断拓展量子力学的边界。你在网上可以轻松地找到关于量子力学的经典著作。
老吴就是想用连小朋友都能听懂的语言和易于理解的图片，去解释量子力学中那些深奥甚至还没有定论的概念与理论。如果大家因为看了这本书而对量子力学产生了浓厚的兴趣，那么老吴就会觉得自己所做的这件事很有意义。
自媒体人的生活繁忙而有趣，写稿、录制、剪辑等，每一项工作都要认真对待，而出版一本图书更需要万分专注。幸运的是，我在机缘巧合下得到了本书插图绘制者陈莞荑的大力帮助，她仅用铅笔就把物理学大师们“复活”于纸上，还将我制作的平平无奇的说明图进行了重绘，让人过目不忘。
此外，人民邮电出版社的老师们不但对本书内容进行了严谨的考证，还邀请了多位专家来审读，尽量确保本书在趣味性和科学性上达到平衡。
最后，老吴深知自己的认知有限，如果对于某些知识的讲解无法让大家满意，大家也可以通过邮件（wl__2@163.com）或者今日头条、西瓜视频私信（ID：Alien老吴）与我交流。
Alien老吴
2021年9月
量子力学是一门颠覆经典物理思维的科学。相比人类研究宏观世界物理超过两千年的经验，聚焦于微观世界的量子力学，从理论的提出到今天在现实世界中的应用不过百年，人类只是刚刚叩开了量子力学的大门。
量子力学的现实应用，已经出现在人类生活的方方面面。但是关于量子力学本身，以及与它相关的一些令人匪夷所思的现象，我们暂时能做的，只是认识、接受，对这些现象背后的原理，我们几乎一无所知。接下来，我将介绍一些能够诠释量子力学经典现象的实验和理论，带着大家一窥量子力学的惊奇世界。
谈到量子力学，人们几乎一定会提到单粒子双缝实验以及这个实验的结果——科学史上最颠覆人们物理常识的实验结果之一。就是通过这个实验，人们开始注意到一个与符合自己物理直觉的宏观世界截然不同的量子世界。从实验结果来看，现实的本质可能完全不是物质的，至少与我们熟知的世界大相径庭。
为了弄明白这一现象，我们要从水波双缝实验开始说起。
当实验中人为制造的水波向四周扩散时，在一段距离外，实验者设置了一个中间有两条缝隙的障碍物（图1.1）。
图1.1
绝大部分水波被障碍物挡住了，但是两条缝隙处是有波纹穿过的。从两处缝隙穿过的波纹，形成了两条新的波纹，而这两条新的波纹在并行状态下，各自的波峰和波谷会相互干涉、相互作用（图1.2）。
图1.2
它们所形成的这种独特的图形，被称为干涉条纹（图1.3）。
图1.3
实际上，任何具有波的特性的物质，都会形成类似的干涉条纹。除了刚才说到的水波，声波和光波同样可以。
和小火车托马斯一样，物理学家托马斯·杨（图1.4）也来自英国，他出生于1773年。
图1.4
1801年，托马斯·杨在实验中首次观察到了光的双缝干涉：一束光经过两条很窄的缝隙后，产生了数条明暗不等的条纹（图1.5）。对比一下前面的水波双缝实验得到的干涉条纹，是不是非常相似？
图1.5
只要你在初中物理课上没有走神儿，你就会知道，光是一种电磁波。因此，鉴于光同属于波，它出现和水波相似的结果也是非常合理的。
光是由不可再分割的一小束电磁能量——光子——组成的。所以每个光子都是电磁场中的一小段波，且每段都是不能再分割的最小状态。在这样的情况下，实验者用光子继续进行双缝实验。发射光子时，每个光子都只能穿过其中一条缝隙（图1.6）。
图1.6
所以如果同时发射多个光子，让它们分别穿过两条缝隙，那么光子的波的特性依然会相互作用，并最终产生干涉条纹（图1.7）。
图1.7
实验进行到这里，一切似乎都没有逃脱我们熟悉的宏观世界的物理规律，似乎量子力学并没有多少神奇之处。
别急！接下来，实验者稍稍修改了一下实验流程，每一次只发射一个光子（图1.8），在发射多个光子后，干涉条纹依然诡异地出现了！
图1.8
等等，之前我们不是说过，干涉条纹是由至少两个具有类波特性的物质穿过两条缝隙，在并行状态下互相干涉的结果吗？为什么每次只发射一个类波的光子，一次只穿过一条缝隙，在没有任何相互干涉和相互作用的情况下，仍然会出现干涉条纹呢？
情况是这样的，当发射的第一个光子穿过其中一条缝隙后，它会落在一个能观测落点的屏幕上（图1.9）。
图1.9
然后发射第二个、第三个、第四个光子也是一样的，它们穿过缝隙，然后在屏幕上留下各自的落点。当实验者不断发射单个光子，落点越来越多时，神奇的干涉条纹就产生了（图1.10）。
图1.10
可是，实验者明明每次只发射了一个光子，在运动过程中它能跟谁产生相互作用呢？这一点非常神奇！而且不只是光子，发射单个电子也会产生类似的结果。甚至原子、分子或者是由60个碳原子组成的巨型球状分子，也能在相同的实验条件下得出类似的结果。
所以我们不得不接受一个事实：这些组成世间万物，包括你和我的最小物质，都是以某种波的形式穿过两条缝隙，穿过之后又与其自身发生干涉和作用，最终形成干涉条纹的（图1.11）！但是这样的表述非常抽象。
图1.11
如果打个比方的话，这就好像是，在光子从发出点到落点的路途上，有一张以特定规律波动的网（图1.12）。
图1.12
当发射单个光子时，光子的前进路径会受这张网的特定规律的波动影响，最终随机产生一个落点。严格来说，这个光子的落点可以在这张网所影响的范围内的任何一个位置上（图1.13）。
图1.13
发射的光子数量越多，那么在这张网的特定规律波动下，随机产生的落点就越多。
看上去，实验中发射的多个光子在穿过缝隙后，由于波的特性产生了相互干涉和作用，从而形成了干涉条纹。但实际上，它们并没有产生相互干涉和作用，而是这张看不见的以特定规律波动的网在操控着结果。
我不止一次说，这张网是一张以特定规律波动的网。那么这个“特定规律”是什么呢？当这张网开始作用于光子的那一刻，这个特定规律就包含光子所有可能的落点信息（图1.14），以及行程中每个阶段，光子所有可能的位置及轨迹信息（图1.15）。而这就是量子力学的核心——波函数。
图1.14
图1.15
由于我们一开始就设定了这个特定规律发生作用后的绝对范围，因此，实验者每次发射一个光子时，只要发射的光子数量足够多，就能够显示出干涉条纹。但是在特定规律开始作用于光子，到没有产生最终结果的这一阶段，光子的准确位置及运行轨迹处于无法判断的随机状态。这个“特定规律”的规律，人类暂时还不了解。
那么有人会说，在光子被射出后，我们架设一个观测设备，来观测每个光子的整个运行轨迹不就好了吗（图1.16）？
图1.16
话是这样说，可是当实验者试图使用设备观测光子的运行轨迹时，更诡异的事情发生了！这些被全程观测运行轨迹的光子，不再显示出波的特性。实验中记录光子落点的屏幕，也没有像我们想象中的那样，出现完美的干涉条纹。不管实验者发射多少光子，也不管一次只发射一个光子还是同时发射多个光子，记录光子落点的屏幕上显示的只是与两条缝隙大小一致的光直射图形 （图1.17）。这些被全程观测运行轨迹的光子，完全展现出了另外一种特性，即宏观世界中粒子的特性！
图1.17
只观测结果和只观测过程会展现出不同特性的奇怪现象，反映的就是量子力学中所称的波粒二象性。而那张波动的网，因为被观测了过程就失去了特定规律的诡异现象，被称为波函数坍缩。
为什么当实验者试图观测光子完整的运行轨迹和最终落点时，这张以特定规律波动的网就不存在了？就好像有一股神秘的力量在故意捉弄实验者，让实验者包括我们这些看客无所适从。
其实这一神奇的现象，也只是量子世界中诸多有悖于人类直觉的现象中的一种。至今物理学家们也只是拉开了量子世界这个神奇小屋的一道门缝，只看到了一点儿而已。
那些组成世间万物包括你和我的最小单元，它们的物理法则是极其“古怪”的。物质的行为轨迹存在与否都是概率。换句话说，假如将量子力学描述的微观世界的物理法则套用在我们人类身上，那么瞬移、穿墙、心灵感应等超能力都不在话下，甚至连时间都会成为叠加了过去、现在以及未来的混沌状态。
