全網最通俗版本，一篇文章徹底看懂：量子力學的本質到底是什麼？
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【第三課：量子力學】
量子力學到底在講什麼？量子糾纏是什麼？量子通訊又是什麼？
其實很多人只是聽過量子力學的一些概念，還沒有形成體系化的認知。
碎片化的認知會造成誤解，但是系統學習又缺乏基礎，這也是很多人看不懂量子力學的原因
文章將從整個量子力學建立的基礎邏輯出發，系統串聯量子力學的各種現象，最後到量子通訊的原理，十分適合非物理專業的小朋友們系統地學習量子力學！
但說實話，量子力學很難兼顧通俗性和嚴謹性。過於通俗會失去嚴謹性，但過於嚴謹，基本上就沒人看得懂。文案我已經改了十幾遍，全程沒有任何公式，盡最大可能達到了通俗和嚴謹的平衡點。
首先不要對量子力學中複雜的概念難倒，量子力學無非就是物理理論，物理理論就是對自然現象的歸納，所以你面對的不是晦澀難懂的量子力學，而是不太容易理解的自然現象。
我們面對的世界，在尺度上，無非就是宏觀和微觀世界之分。
而宏觀和微觀世界的分界線就是原子。比原子大的物質，就是宏觀世界。
比原子小的物質，就是次原子粒子，也就是微觀世界。
量子力學研究的就是微觀世界的物理現象。一開始，物理學家以為微觀和宏觀世界的物理規律是一樣的。
但是後來發現，微觀世界和宏觀世界幾乎沒有什麼共同點！
如果微觀世界和宏觀世界的現象一樣的話，那就沒量子力學什麼事了，直接用牛頓力學就能描述微觀世界的現象。那現在的物理理論就簡單了很多。
微觀世界起初讓人類感覺到困惑的是：電子繞原子核運動的規律琢磨不透。
按照以往的思路，電子繞原子核運動，就是原子核給電子提供了引力和電磁力。引力和電磁力會轉化成電子繞原子核運動的向心力，所以電子繞原子核應該是像地球繞太陽一樣的圓周運動。
但是後來發現，電子的軌道根本就不是什麼圓周運動。電子甚至就沒有可以確定的軌跡。我們無法算出電子下一秒會出現在哪。
至於為什麼會這樣，沒有人能知道，自然現象就是這樣，你也沒有辦法。
雖然我們不知道電子下一秒會出現在哪，但是好在，電子貌似會經常出現在原子核外幾個比較固定的區域。
比如觀察100次電子出現在原子核外的區域分佈，會發現電子出現在A區域的次數為20次，b區域為25次，c區域為35次，d區域15次，其他區域為5次。
雖然無法精確知道電子下一秒出現在哪一區域，但是起碼可以用統計學描述電子出現在幾個常見區域的機率。
這就引申出上帝到底扔不扔骰子的問題。
在牛頓力學中，只要知道一個物體起始的速度 質量和受力情況，就能計算出這個物體在未來某一刻的具體位置。
未來發生的一切是早已被起始狀態設定好的。比如你的人生從宇宙誕生的那一刻就已經被設定好了，你能看到這篇文章也是被設定好的。這就是經典的機械決定論，也叫宿命論。
但是電子繞原子核的運動貌似是隨機的，電子下一秒出現的位置和初始狀態沒有確定的線性關係，任何計算都無法精確得知電子下一秒的位置，所以電子的運動就否定了機械決定論。
除了電子，所有微觀粒子的位置都是隨機的，需要用機率描述。而我們人體又是由微觀粒子構成，所以這就意味著，人的命運並不是被決定好的，人的意志是可以逆天改命的。
所以有人才說，上帝原來是扔骰子的。對於這個問題，如今依舊存在爭論，本期影片重點不在這裡，所以就不再贅述。
我們常常說量子力學，那為什麼要叫量子力學，而不叫粒子力學呢？
為什麼要用“量子”這個詞語，量子到底是個啥？
首先你得思考一下，能量是怎麼傳遞的。把一杯熱水放涼，是因為熱水把自身能量傳遞給了周圍的空氣分子。
熱水分子運動比較劇烈，而空氣分子運動比較柔和，當熱水分子撞擊到空氣分子，就會把動能傳遞給空氣分子，進而導致運動程度降低，所以熱水才慢慢變涼。這就是能量傳遞的過程。
不難發現，能量的傳遞過程無非就是依靠物質之間的相互作用，比如分子之間碰撞。
在熱水放涼的過程中，溫度從80℃降低到20℃。溫度降低是一個連續的過程，中間會經歷從20℃到80℃之間的任意一個溫度值。比如50。654℃，35。6521℃……等等。
這就意味著在熱水放涼的過程中，能量的傳遞是連續變化的。
熱水放涼是宏觀世界的能量傳遞，但在微觀世界，能量的傳遞並不是連續的，而是間斷的。
我剛才已經強調過，能量的傳遞依靠的就是物質的相互交換。
既然已經到了微觀世界，那這裡面的物質很有可能就是最小的物質，比如基本粒子。
基本粒子就是最小的粒子，不能再細分了。
而微觀世界所有的能量傳遞本質上都是依靠基本粒子相互交換來實現的，比如光子。
光子只能是一個，兩個，三個……，沒有二分之一，三分之一 個 光子。所以一個光子攜帶的能量就是微觀世界能量傳遞過程中的最小單位。
假設一個光子攜帶的能量的大小是A（hv）那麼能量傳遞只能說是1A，2A，3A這樣的遞增過程。不存在1。2A，1。236A，2。58A……這樣的過程。所以能量傳遞的過程並不連續，而是有間隔的，這個間隔就是1A。
1A代表的就是能量的最小單位，我們賦予這種現象一個新的物理術語，這就是：能量量子化。
所以量子代表的就是一種不可再分的基本單位。在微觀世界，只要是不可再細分的概念，都可以叫做量子化，比如光子就是不可再分的基本粒子，所以光子也叫光量子。
這種不可再分的，非連續的量子概念，在微觀世界十分普遍，是微觀世界的基礎現象，而量子力學正是研究微觀世界的理論，所以量子力學才由此得名！
我們經常說微觀粒子，導致很多人誤認為微觀粒子是一種實心的小球。
其實微觀粒子的本質更像是一種波。如果要徹底搞懂量子力學，首先就要預設所有的粒子都是波。這種波並非類似水波，聲波這樣的機械波。
微觀粒子都是以波的形式呈現的，從而瀰漫整個宇宙空間，理論上所有波都可以瀰漫到宇宙邊緣。雖然波的空間尺度是無限遠的，但是波的能量往往會聚集到某個固定的空間尺度上，從而形成波包。
波包越聚集，就越像粒子。這也是波粒二象性的體現。
事實上，測不準原理正是由波粒二象性造成的。
現在我們將微觀粒子想象成一個具有波動性的波包。這個波包越聚集，就越像粒子，越分散就越像波。波包有兩個顯著的物理量，一個是位置，一個是動量。
你可以將波包的位置理解成寬度，動量理解成能量。
如果我們要測量這個波包（粒子）的位置（寬度），那麼就需要用光子撞擊波包，透過光子探測到的資訊就可以確定波包的位置。
但你會發現，這樣得到的波包位置（寬度）範圍比較廣，如果想要得到更加精確的位置，你就必須提高光子的能量去撞擊波包，導致波包吸收能量後，更加聚集，所以寬度就越窄，更像是一個粒子，位置也就測得越精確。
但這時候，位置是測量精確了，但是波包因為吸收了光子的能量，導致動量增加，所以波包的動量就和起始的動量相差甚遠。所以你測量到的動量資訊就越不精確。
如果你要精確測量波包的動量，就得降低光子的能量，這樣一來，波包的寬度就比較大了，所以位置就測量得越不準確。
對於這個現象，海森堡就認為，粒子（波包）的位置和動量資訊不能同時精確測量，位置測得越精確，動量就越不精確，反之亦然！並且認為這主要是由於測量儀器發射的粒子造成的。
但是當代的量子理論認為：海森堡的這種解釋並不是十分正確，測量儀器固然會對被測量物件造成干擾，但是這不是主要原因。
主要原因是粒子的本質就是波包，測量波包的精確位置就相當測量 繩擺產生的波動位置，這是毫無意義的，因為波就不可能存在完美的位置，測量動量也是這個道理，粒子不存在完美的動量。
所以現代物理學認為，測不準原理的本質並不是實驗儀器造成的，而是微觀粒子的內稟屬性。
用“測不準原理”這一物理名詞會誤導大眾，讓人誤以為是人類科技手段有限造成的測不準。如今測不準原理早已被改成不確定性原理的叫法。
微觀粒子還有一個十分普遍的特性，那就是態疊加原理。這個原理的數學解釋十分晦澀，且枯燥。態疊加就是我們常說的量子疊加。
比如電子的自旋，即是上旋又同時是下旋。這種匪夷所思的現象也令薛定諤困惑，為了通俗地解釋量子疊加，所以就將其拓展到宏觀世界，也就是那隻既死又活的貓。
其實你只要將微觀粒子想象成波，那就很容易理解量子疊加。
這條波瀰漫整個宇宙空間，但並不是均勻分佈的，波上有個波包，波包在哪，我們就說這個粒子在哪。
問題是，理論上這個波包可以出現在這條波上的任何位置上。而波又瀰漫整個空間，所以我們才說粒子可以出現在空間上的任何一個位置。
測量之所以會導致量子疊加態消失，是因為測量儀器肯定需要發射某些粒子探測 被測量粒子（波），被測量粒子原先的疊加態就會因為這些粒子的干擾而消失。這就是測量坍塌效應。（理性討論延遲選擇量子擦除實驗）
只要我們不去測量這個波包（粒子），那麼波包（粒子）本身就和這條波是一個整體。所以這個波包（粒子）在空間的位置就是疊加在一起的，所以粒子即在這，又同時在那，可以同時處於多個位置。這就是疊加態的體現。
你要是從這種角度理解量子糾纏就十分容易。
兩個糾纏粒子其實是同一條波（複合系統），只不過測量行為會導致這條波坍塌出兩個波包（粒子）。
這兩個波包在沒有測量之前本來就是共同疊加態的波。
測量就會導致疊加態消失，變成兩個確定的波包（本徵態），但是作為觀察者的我們來說，好像這兩個粒子（波包）可以無視空間，而同時作用。這就是量子糾纏的超光速現象。
其實本質來說，糾纏粒子之間本來就是同一個粒子。所以對一個粒子的測量，其實也就是對另一個粒子的測量，所以量子糾纏必然是同時發生的！
但量子糾纏這種現象並不存在什麼實質上的物質運動，所以就不能傳遞資訊和能量。
那為什麼我們宏觀世界的物體不存在量子疊加現象呢？
其實這個宇宙的規律本來就沒有宏觀和微觀世界之分。
本質都是由微觀世界的現象主導的，量子疊加才是宇宙中最普遍且最正常的現象。我們之所以無法理解量子疊加，是因為我們生活在疊加態已經坍塌過的宏觀世界。
基於宏觀世界歸納出的牛頓力學，是先入為主的，所以我們才認為非疊加態才是正常的，疊加態反而不正常。
宏觀世界的疊加態消失只是因為宏觀物質的比較大，樹大招風，幾乎都會遭受到各種干擾，比如宇宙中無處不在的光子會撞擊宏觀物質，這種干擾的本質就相當測量坍塌效應，導致宏觀世界的疊加態都坍塌掉了，而呈現出確定的狀態。
最直接的證明就是空氣分子的疊加態，和分子尺度上的量子糾纏。
這就證明，即便比原子還大很多的物質，只要不被其他粒子干擾（相當於測量坍塌效應），依舊會出現疊加現象。
但在現實中，比分子再大一點的物質就必然會遭受其他粒子的干擾，所以分子尺度以上的物質，疊加態就會因為被幹擾（測量），全部消失掉。
現在我們知道一個光子就是一個波包，這個波包的很多性質都是疊加態的。如果你要複製這個光子的狀態，就得把這個光子一分為二，但是光子是量子，是不可以再分，所以這個方法是被堵死的。
第二個方法就是測量這個光子的資訊，然後根據這些資訊重新還原一個相同的光子。但問題是，由於測量坍塌效應，一旦測量就會造成光子原來的疊加態消失，所以你永遠無法得到這個光子原來的疊加狀態。
這就是單個光子無法克隆的性質。
傳統的電磁波通訊，是發射頻率高低不同的大量光子，光子頻率的高低代表就是0和1。所以竊聽者可以在光子傳遞的過程中偷走少部分的光子，透過這些光子的頻率高低就可以解讀出通訊的內容。
而量子通訊是利用單光子不可克隆原理 進行量子金鑰分發，理論上可以做到資訊的絕對安全。
竊聽者要竊聽電磁波通訊，要麼就偷走光子，要麼測量光子。
而單個光子一旦被偷走，那直接就被發現，這樣就證明傳遞資訊的過程已經被竊聽，那乾脆就不傳送資訊了。
如果竊聽者不偷光子，只是竊聽，就會引發測量坍塌效應，也會被發現。
只要量子通訊被竊聽，就一定會被發現。所以通訊雙方就會放棄此次通訊
那要是一直竊聽，會不會造成通訊持續中斷？
目前來說是這樣的。其實資訊被竊聽並不可怕，可怕的是被竊聽了，還被獲取了內容。
量子通訊最大的貢獻就是得知通訊過程是否被竊聽，而不是阻止竊聽行為。
雖然竊聽者可以透過持續竊聽行為阻斷資訊的傳送。但是我們可以換其他通道傳輸。
即便其他通道也被持續竊聽，導致資訊中斷。那還我們還有物理手段對付竊聽者。
