大家好，我是科学羊🐑。
你可能听过量子物理，但若真想深入理解，它确实是个让人“头大”的学科。
这个领域充满了超乎常规的概念，任何企图简单描述它的努力往往让人觉得它越来越难懂。
然而，尽管量子物理“奇怪”得不可思议，它已然在科学界屹立了百余年，并被公认为人类迄今为止最精确的科学理论。
现代科技的无数成果都源自它，从手机、激光、导航，甚至到我们身边的计算机，量子物理奠定了它们的基础。
但是，这是否意味着科学家真的“理解”了它？
答案却很复杂，甚至是难以理解的。
事实上，这一切可能更像是一个迷宫，越深入越发现自己在曲折的路径上徘徊。为了让你更清晰地看到量子物理中那些神奇的“现象”，我们可以从最简单的实验事实出发。
警告一句：这里并不会给你一个“满意的答案”，但会向你展示自然之谜的另一面——一个比我们五感构建的世界丰富得多的现实。
第一步：光是一种波动
我们的故事始于光的波动性。
设想我们将一束激光射向一个特定的装置，其中布置了一些镜子和分束器。这就是著名的“马赫-曾德尔干涉仪”。这里的“分束器”会将光束分成两部分，分别进入上下两条路径。
为什么这样做？
因为光实际上是一种电磁波，光波之间可以相互“干涉”——这意味着它们可以在某些条件下叠加或抵消。
激光经过分束器后会沿不同路径前进，进入上下路径的光波会相互作用，在一定条件下发生“建设性干涉”（增强光强度）或“破坏性干涉”（减弱光强度）。
那么，光在这里究竟会发生什么呢？
马赫－曾德尔干涉仪时常用于空气动力学、等离子物理学与传热学领域，可以测量气体的压强、密度和温度的变化。在本图里，设想分析一支蜡烛的火焰。两种输出影像都可以被观测到，一个显示出白色火焰，另一个显示出黑色火焰。
在这个实验中，顶层的观察者会发现光束的两个反射路径相互抵消，形成了一个叠加效果。
而对于底层的观察者来说，反射路径却不同，光线会“抵消”自己，使得下层的光亮被削弱。
这些现象看似奇特，但其实自1821年起，科学家们已经理解了这种干涉原理，甚至在基础的大学物理实验中也能观察到类似现象。
第二步：光既是一种粒子
到了这里，你可能认为，光的“波动性”已经够奇特了，但量子物理的精妙远不止于此。
1905年，爱因斯坦提出了光量子理论，认为光不仅仅是一种波动，还具有“粒子”特性——它是由微小的粒子（后来称为“光子”）组成的。
这一发现不仅让爱因斯坦摘得诺贝尔物理学奖，也让人们对光的本质有了新的认识。
假设我们将激光的功率降低到极限，使光子在实验装置中以“粒子”的形式被单独检测到。这样，我们会观察到一次一个的“光子闪光”，每次只触发短暂的光亮。然而，随之而来的结果却出乎意料。
根据设想，光子应当在第一个分束器处被随机反射或透过，因此当它通过第二个分束器时，无论走上层还是下层路径，顶层和底层的观察者应该随机看到闪光。
换言之，我们的预测是：观察者应当在两条路径上不时看到光子的存在，但实验结果却非如此。
第三步：自相矛盾的光子
令人困惑的现象来了——实验的实际结果是：只有顶层的观察者看到了光子的闪光，底层的观察者却始终在黑暗中。
这表明光子似乎并没有走单一路径，而是“同时”走了上下两条路径，并在第二个分束器处相互干涉。
我们甚至可以通过调整上层路径的长度来验证这一点，延长路径后，底层观察者会逐渐看到闪光的出现。
这些实验结果似乎在暗示：光子既走了这条路，又走了那条路，并在自身相遇时发生干涉。
更有意思的是，当我们引入第三位观察者来监测下层路径时，情况再次发生了变化。
即使监测者什么也没有检测到，这也会影响其他观察者的结果：一旦监测者加入，光子的行为便不再遵循之前的规律。
光子在这里的表现变得更加诡异和不可捉摸：在我们试图观察它的时候，它表现得像个“粒子”；而当无人关注时，它就变成了“波”。
未解之谜：波粒二象性
在量子物理中，这种现象被称为“波粒二象性”，意味着光既表现为波，又表现为粒子。
这两种完全不同的属性在不同情况下交替出现。光到底是波还是粒子？从传统视角来看，答案似乎是“既不是波，也不是粒子”。
量子物理告诉我们，它是一种我们无法轻易理解的第三种存在形式（量子纠缠）。
人类的生活经验中并没有直接对应的事物，我们很难找到合适的类比。这或许就是量子物理特别之处之一。尽管这一学科发展已逾百年，但科学家们在“如何思考量子物理”这一问题上，依然无法完全达成共识。
量子物理的核心在于它能够以惊人的精确度预测观察结果，科学家们也正是基于这些预测实现了许多现代技术。
但在这些精密的公式和数据背后，“光子究竟发生了什么”的问题依然模糊不清。我们仅仅知道“如何计算结果”，但似乎无从解释背后的本质。
反思：我们到底在寻找什么答案？
量子物理的学生们往往被教授告知，不要去问“光子究竟发生了什么”，这种想法总结为一句名言：“闭嘴，好好计算”。
或许，这种哲学有其道理。光子行为背后的答案可能并不在我们现有的知识体系内。
作为人类，我们对于“解释”的概念可能过于狭隘，或许目前的认知结构尚不足以理解量子世界的本质。
所以，量子物理之所以奇妙，不仅在于它解释了多少自然现象，更在于它提出了我们无法用已有知识回答的问题。
这些问题引领我们不断思考、不断探寻，让我们意识到自己还处在理解宇宙的起点。
好，今天就先这样啦～
科学羊🐏 2024/11/10
祝幸福~
参考资料
[1].https://csferrie.medium.com/few-understand-why-quantum-physics-feels-impossible-are-you-ready-to-join-them-4af951148ba2
「感恩关注，科学羊持续为您带来最好的科普知识」
往期推荐
到底是什么导致了地球和火星这两颗相似的星球，最终走向了截然不同的结局？
如果光子有质量，它们能解释神秘的暗物质吗？
其实，在银河系中心有一个巨大的粒子加速器
