量子力学如何颠覆认知：看看这三个经典实验吧！

量子科技的根基其实就是量子力学，最经典的“薛定谔的猫”可以说开启了现代人对量子理论反常规的思辨风潮，薛定谔没有解决的问题随着时间的推移，通过一些实验和理论的不断完善，量子理论的说服力得到了飞跃的提升，当然，更多的问题接踵而至，所以在面对量子理论时，放弃常识并抱着开放性的心态会更容易理解，接下来我们就通过三个经典实验，来更深入地了解量子力学吧。

实验一：电子双缝干涉

对于经典物理而言，粒子和波动是两个层次的东西，不能混为一谈，而量子力学则认为两者密不可分，而双缝衍射实验就是量子力学最有力的證明。

使用一个一次只能发射一个电子的装置，对刻有两条平行缝隙的挡板进行发射，如果按常识来看，电子一定会穿过某一条缝隙，落在后面挡板的同一个位置上，这就是电子的粒子性质，但如果你进行多次测试就会发现，它并不是每一次都落在同一个位置，而是散落在某一个位置周围，这意味着这一个电子并不是只通过其中一条缝隙，而是同时通过这两条缝隙并和自己产生干涉，这就呈现出电子的波的性质。

双缝干涉实验告诉我们的正是电子具备波粒二象性，它既是波，也是粒子，同时具备两种属性：当我们进行观测时，每一个电子只会落在某一个位置上，呈现出粒子的特性，但具体落在哪里又是个符合波性质的概率问题，这就打破了“物质世界具有连续性”这个常识：这只猫我早上看它的时候是一只猫，晚上看到它还是一只猫，所以理所当然地就认为在早上到中午我没看到它的这段时间里它还是一只猫，但显然这并不符合电子双缝干涉实验的结果。

事实上，对于双缝干涉实验中的电子而言，它处于量子场的影响中，在我们没有观测它的时候它是一个波函数，也就是描述一个电子一切概率分布信息的函数，它只能告诉我们电子在空间某一位置出现的概率，这与宏观的质点运动有确定性明显不同，量子世界是测不准的，这也是为什么爱因斯坦会说出“上帝不掷骰子”的原因，而只有在我们观测时，波函数才会坍缩成为一个粒子，出现在某一个具体的空间位置上。

实验二：量子擦除

那么，波函数的坍缩必须通过有意识的观测么？第二个实验深化了这个问题，其实依然是双缝干涉实验，但不同点是用具备偏振性的光子替代了电子，并充分利用量子纠缠现象：在波函数描述多电子体系时，对一个电子的状态的改变能够牵扯到这个体系其他电子的状态的改变，不管这两个电子的距离相隔多远，这种作用关系被爱因斯坦称作“幽灵般的超距作用”。

实验用的光子有水平、垂直、顺时针、逆时针四种偏振态，光子发射器会发射一对处于纠缠态的光子：水平偏振的A和垂直偏振的B，其中A不通过双缝就直接被1号偏振探测仪探测，而B则通过双缝并被后方的2号偏振观测仪观测。

与此同时，在两个缝隙上覆盖不同的四分之一波长片甲和乙，它的作用就是让垂直偏振光B通过甲就转换为顺时针偏振，而通过乙则转换为逆时针偏振，因为AB处于纠缠态，B的变化通过A就能进行观测，从而得到B究竟是通过了哪一条缝隙。

而这个实验最“量子”的部分来了！当我们打开1号偏振观测仪对光子A进行观测时，双缝衍射的干涉条纹就消失了！关闭1号偏振观测仪，也就是不观测光子A的偏振态，干涉条纹就会重新出现。事实上1号偏振观测仪的位置并没有任何限制，就算放到宇宙另一端也并不影响，它的功能只是观测与之处于纠缠态的光子B偏振性，所以这个实验最重要的结论就是量子场的坍缩的发生并不需要有意识的观察者，而第三个实验则将这一理论更进一步。

实验三：延时量子擦除

这个实验器材的结构比较复杂，简单来说就是实验二的“分光版”，如果只看图中画框位置那它就是实验二的布局。同时发射两对处于纠缠态的光子，在保持实验二结构的前提下增加四组探测仪（D1、D2、D3、D4）、三块50%反射50%折射的半银透镜（BSa、BSb、BSc）和两块全反射玻璃（Ma、Mb）。

实验结论有2个，其一是如果D3检测到光子即对应图中蓝色光路的光子击中了D0，D4检测到光子则对应于红色光路光子击中D0，从而得到实验二被擦除而无法得到的观测数据，但此时D0上的干涉条纹会消失。第二个结论是D1和D2检测到光子，因为这两个探测器会同时接收蓝色和红色光子，因此依然无法得到D0的光路情况，观测信息也相当于被擦除，但干涉条纹可以复原。

这个实验的关键点在于，D0与双缝的距离只有D1、D2、D3、D4的一半，也就是说后四者的感光时间都在D0之后，也就是光子在通过双缝之前就似乎已经“决定”了是否会坍缩，而且这个实验是在没有观测者、没有观测意识的前提下就导致了混合状态的坍缩。难怪理查德·费曼会在《费曼物理学讲义》里表示双缝实验所展示出的量子现象绝不可能以任何经典方式来解释，它包含了量子力学的核心思想，透过双缝实验，可以观察到量子世界的奥秘。

遇事不决量子力学？谨防身边的“量子陷阱”

从这三大实验可以看到，量子理论还存在着非常多悬而未决的“缝隙”，有的甚至上升到了哲学的领域……量子科技的落地主要还是集中在利用纠缠态的密钥传递，以及利用叠加态的并行计算上，这两点在我们此前的系列文章中已经有过详细的解读，欢迎大家查阅。

事实上，量子概念已经“火”了一段时间，但火的方法却有点另类，在电商平台以“量子”为关键词，可以搜索到大量挂着“量子”旗号的养生用品，比如量子鞋垫、量子袜、量子内衣、量子手环……在这里量子成了一种玄学加成，冥冥中为穿戴者施加增益效果。除此之外“量子波动速读”在去年也成了热门话题，快速翻阅甚至蒙上眼睛，书本的内容就能进入大脑……显然，这些概念无疑都是“挂羊头卖狗肉”，所以量子的概念既有李鬼也有李逵，很有科普的必要性。

10月16日中央政治局就量子科技研究和应用前景进行的集体学习，让量子科技真正走进了普罗大众的视线当中，对普通人来说，量子理论是晦涩的（其实对非相关专业的人来说也很晦涩），它所实现的功能在目前来看也没有明显的感知性，也就是哪怕你已经用上了新技术，但也丝毫没有察觉。我国在量子科技领域虽然并没有走到最前端，但考虑到目前整个行业都还没有成型，再加上政策扶持力度较大，十四五计划中也极有可能加入量子科技的相关内容，所以在这个赛道，我们并没有落后太多，仍有很大的追赶空间，未来值得期待。