我们经常说微观粒子,导致很多人误认为微观粒子是一种实心的小球。

其实微观粒子的本质更像是一种波。如果要彻底搞懂量子力学,首先就要默认所有的粒子都是波。这种波并非类似水波,声波这样的机械波。

微观粒子都是以波的形式呈现的,从而弥漫整个宇宙空间,理论上所有波都可以弥漫到宇宙边缘。虽然波的空间尺度是无限远的,但是波的能量往往会聚集到某个固定的空间尺度上,从而形成波包。

波包越聚集,就越像粒子。这也是波粒二象性的体现。

事实上,测不准原理正是由波粒二象性造成的。

现在我们将微观粒子想象成一个具有波动性的波包。这个波包越聚集,就越像粒子,越分散就越像波。波包有两个显著的物理量,一个是位置,一个是动量。

你可以将波包的位置理解成宽度,动量理解成能量。

如果我们要测量这个波包(粒子)的位置(宽度),那么就需要用光子撞击波包,通过光子探测到的信息就可以确定波包的位置。

但你会发现,这样得到的波包位置(宽度)范围比较广,如果想要得到更加精确的位置,你就必须提高光子的能量去撞击波包,导致波包吸收能量后,更加聚集,所以宽度就越窄,更像是一个粒子,位置也就测得越精确。

但这时候,位置是测量精确了,但是波包因为吸收了光子的能量,导致动量增加,所以波包的动量就和起始的动量相差甚远。所以你测量到的动量信息就越不精确。

如果你要精确测量波包的动量,就得降低光子的能量,这样一来,波包的宽度就比较大了,所以位置就测量得越不准确。

对于这个现象,海森堡就认为,粒子(波包)的位置和动量信息不能同时精确测量,位置测得越精确,动量就越不精确,反之亦然!并且认为这主要是由于测量仪器发射的粒子造成的。

但是当代的量子理论认为:海森堡的这种解释并不是十分正确,测量仪器固然会对被测量对象造成干扰,但是这不是主要原因。

主要原因是粒子的本质就是波包,测量波包的精确位置就相当测量 绳摆产生的波动位置,这是毫无意义的,因为波就不可能存在完美的位置,测量动量也是这个道理,粒子不存在完美的动量。

所以现代物理学认为,测不准原理的本质并不是实验仪器造成的,而是微观粒子的内禀属性。

用“测不准原理”这一物理名词会误导大众,让人误以为是人类科技手段有限造成的测不准。如今测不准原理早已被改成不确定性原理的叫法。

微观粒子还有一个十分普遍的特性,那就是态叠加原理。这个原理的数学解释十分晦涩,且枯燥。态叠加就是我们常说的量子叠加。

比如电子的自旋,即是上旋又同时是下旋。这种匪夷所思的现象也令薛定谔困惑,为了通俗地解释量子叠加,所以就将其拓展到宏观世界,也就是那只既死又活的猫。

其实你只要将微观粒子想象成波,那就很容易理解量子叠加。

这条波弥漫整个宇宙空间,但并不是均匀分布的,波上有个波包,波包在哪,我们就说这个粒子在哪。

问题是,理论上这个波包可以出现在这条波上的任何位置上。而波又弥漫整个空间,所以我们才说粒子可以出现在空间上的任何一个位置。

测量之所以会导致量子叠加态消失,是因为测量仪器肯定需要发射某些粒子探测 被测量粒子(波),被测量粒子原先的叠加态就会因为这些粒子的干扰而消失。这就是测量坍塌效应。(理性讨论延迟选择量子擦除实验)

只要我们不去测量这个波包(粒子),那么波包(粒子)本身就和这条波是一个整体。所以这个波包(粒子)在空间的位置就是叠加在一起的,所以粒子即在这,又同时在那,可以同时处于多个位置。这就是叠加态的体现。

你要是从这种角度理解量子纠缠就十分容易。

两个纠缠粒子其实是同一条波(复合系统),只不过测量行为会导致这条波坍塌出两个波包(粒子)。

这两个波包在没有测量之前本来就是共同叠加态的波。

测量就会导致叠加态消失,变成两个确定的波包(本征态),但是作为观察者的我们来说,好像这两个粒子(波包)可以无视空间,而同时作用。这就是量子纠缠的超光速现象。

其实本质来说,纠缠粒子之间本来就是同一个粒子。所以对一个粒子的测量,其实也就是对另一个粒子的测量,所以量子纠缠必然是同时发生的!

但量子纠缠这种现象并不存在什么实质上的物质运动,所以就不能传递信息和能量。

那为什么我们宏观世界的物体不存在量子叠加现象呢?

其实这个宇宙的规律本来就没有宏观和微观世界之分。

本质都是由微观世界的现象主导的,量子叠加才是宇宙中最普遍且最正常的现象。我们之所以无法理解量子叠加,是因为我们生活在叠加态已经坍塌过的宏观世界。

基于宏观世界归纳出的牛顿力学,是先入为主的,所以我们才认为非叠加态才是正常的,叠加态反而不正常。

宏观世界的叠加态消失只是因为宏观物质的比较大,树大招风,几乎都会遭受到各种干扰,比如宇宙中无处不在的光子会撞击宏观物质,这种干扰的本质就相当测量坍塌效应,导致宏观世界的叠加态都坍塌掉了,而呈现出确定的状态。

最直接的证明就是空气分子的叠加态,和分子尺度上的量子纠缠。

这就证明,即便比原子还大很多的物质,只要不被其他粒子干扰(相当于测量坍塌效应),依旧会出现叠加现象。

但在现实中,比分子再大一点的物质就必然会遭受其他粒子的干扰,所以分子尺度以上的物质,叠加态就会因为被干扰(测量),全部消失掉。

现在我们知道一个光子就是一个波包,这个波包的很多性质都是叠加态的。如果你要复制这个光子的状态,就得把这个光子一分为二,但是光子是量子,是不可以再分,所以这个方法是被堵死的。

第二个方法就是测量这个光子的信息,然后根据这些信息重新还原一个相同的光子。但问题是,由于测量坍塌效应,一旦测量就会造成光子原来的叠加态消失,所以你永远无法得到这个光子原来的叠加状态。

这就是单个光子无法克隆的性质。

传统的电磁波通信,是发射频率高低不同的大量光子,光子频率的高低代表就是0和1。所以窃听者可以在光子传递的过程中偷走少部分的光子,通过这些光子的频率高低就可以解读出通信的内容。

而量子通信是利用单光子不可克隆原理 进行量子密钥分发,理论上可以做到信息的绝对安全。

窃听者要窃听电磁波通信,要么就偷走光子,要么测量光子。

而单个光子一旦被偷走,那直接就被发现,这样就证明传递信息的过程已经被窃听,那干脆就不发送信息了。

如果窃听者不偷光子,只是窃听,就会引发测量坍塌效应,也会被发现。

只要量子通信被窃听,就一定会被发现。所以通信双方就会放弃此次通信

那要是一直窃听,会不会造成通信持续中断?

目前来说是这样的。其实信息被窃听并不可怕,可怕的是被窃听了,还被获取了内容。

量子通信最大的贡献就是得知通信过程是否被窃听,而不是阻止窃听行为。

虽然窃听者可以通过持续窃听行为阻断信息的发送。但是我们可以换其他信道传输。

即便其他信道也被持续窃听,导致信息中断。那还我们还有物理手段对付窃听者。