奇妙的量子天下：薛定谔的猫和光的波粒二象性

提及奇妙的量子天下，

许多人会想起薛定谔那只神奇的猫，

那只可怜的猫，这么多年了还在一向受熬煎；

薛定谔和他那闻名的猫

大概是光的波粒二象性，

即光子一下子是波，一下子又是粒子，

形象地来讲：假如量子天下的人可以或许滑雪的话，

那么就会显现一小我私家的两只腿分别从树的双方滑已往，

但是人照旧一个完备的毫发无伤的人一样的情况。

微观天下滑雪的人

这些量子天下的征象，

在经典的天下里基础无法产生；

而我们人类生存的天下是一个经典天下，

我们的头脑也是经典天下的头脑，

用经典天下的头脑也很难了解这些奇妙的量子征象，

这也是为什么许多人说量子力学难以了解的缘故原由。

量子-经典天下的分界

在我们所熟习的经典天下，

全部的物体遵照牛顿定律和麦克斯韦方程组，

小到伽利略从比萨斜塔放下的两个小球，大到太阳和地球，

都遵照同样的经典天下的活动纪律；

量子天下是我们所不熟习的，

它实用于我们肉眼看不见的小物体如原子、分子、电子等物体，

由薛定谔方程来形貌此中物体的活动纪律。

经典天下和量子天下之间存在一个边界，

天下闻名的物理学家Zurek用一副图形貌了量子天下和经典天下的界限。

漫画上的英文：

旗杆上：quantum-量子天下；Classical-经典天下

屋子上贴牌：STOP! SHOW YOUR CLASSICAL APPARATUS.停下！把你经典天下的工具交出来。

下面的铅印小字：离开了由薛定谔方程决定的量子天下和牛顿定律决定的经典天下的分界限，是物理天下现在没有办理的题目之一。

手写的小字：图片来由，闻名的物理学家Zurek1991年在Physics Today这个期刊上颁发的文章插图。

一个更为奇妙的量子征象

岂论是薛定谔的猫，照旧光的波粒二象性，

这些征象只管奇妙，

但是许多人都已经对这些征象举行了细致的阐明，

网上也有许多这方面的资料，

感兴趣的朋侪可以本身去搜刮一番。

我这里要先容的是一个更为奇妙的量子征象，更难了解，

假如你以为你能了解这个征象，

那么恭喜你，你已经迈入当代量子光学的门槛了。

醉汉

先从简单了解的经典天下提及。

有两个醉汉小明和小刚，喝的昏天黑地，已经搞不清工具南北了，

小明不知道怎么回事，

决定聘请小刚去打靶场打靶。

打靶场

固然事情职员会包管他们的宁静，

但是他们已经喝了许多酒，

以是他们朝靶子打的子弹是完全没有准心。

打到那边也是凭运气，以是是完全随机的。

假如他们打靶的时间充足长，

可以发觉靶上是有弹孔漫衍的，

只是靶孔的漫衍会是随机的，

而且他们打的时间充足长的话，

可以发觉整个靶子上都市有弹孔。

靶孔

这时，小明跟小刚说：

“如许打靶子太没故意思了，

要不咱俩打一个赌？”

小刚说：“没题目，什么赌都作陪究竟。”

小明说：“你信不信？我不看你打靶，你任意怎么打，我都市跟你同时打到统一个地方？”

小刚说：“不信，你吹牛吧！”

小明想了想，说：“嗯，这个是有点过了，天主也做不到这个。但是你信不信：

无论你打在那边，什么时间打，我会有更高的几率跟你打在统一个地方？”

小刚说：“你喝多了吧？这不行能的！”

小明说：“别说那么多了，你就说你敢不敢赌钱吧？”

小刚说：“来就来，谁怕谁啊？”

于是，他俩就在事情职员的见证下开始了他们这场打赌，

效果不出不测，小明输了。

小刚大笑道：“怎么样，知道我的锋利了吧？”

小明烦恼道：“真是喝多了，我还认为我活在量子天下里呢。在量子天下打同样的赌，肯定是你输！”

“你就陆续吹牛吧，你应该少喝点酒了，你看你头脑都不清晰了。”小刚边摇头边说道，“我要回家了，你去你的量子天下吧！”

小明的话是在吹牛吗？

固然小明输了，但是他说的话却有一部门是对的，

即假如同样的赌局是在量子天下中举行，

那么输的便不是小明，而是小刚。

详细什么缘故原由呢？听我逐步说来，

提前阐明的是请包涵我现在本领不敷，

不克不及讲到连小门生都能明确，

以是这里今后的内容必要初中以上的物理程度才气了解；

无师自通的天才

固然，假如你是小学程度乃至没有读过书，

依旧也能明确我下面所讲的内容，

那么，明显不是我讲得好的缘故原由了，

而是你便是谁人传奇中无师自通的天才。

量子天下的“醉汉”

量子天下中没有人，固然不会有醉汉，

但是量子天下中存在一个跟喝了酒到靶场大枪的小明和小刚一样的“个别”，

只管“它”没有喝醉，

但是“它”放射出的“子弹”跟喝醉的小明打的枪的子弹一样：

什么时间打？打到那边？都是完全随缘的。

这个“个别”便是原子，它打出的子弹便是光子。

原子：由原子核和外层的电子构成

原子是构成我们这个天下的根本粒子之一，

上图是一个简洁的原子的表示图，中心红黄部门是原子核，由质子和中子构成，

外层漫衍在差别轨道上的蓝色粒子是电子，

上面这些你都可以不消相识，你只必要知道，

差别圆圈上蓝色小球的高度（能量）纷歧样，

假如蓝色小球从高的地方到了低的地方，这个原子就会放射出一个“子弹”——光子；

而且这个子弹的偏向、放射的时间都是随机的，

就像喝醉的小明在靶场打的子弹一样。

模子先容完了，我们就来看一看经典天下和量子天下的区别。

为什么经典天下和量子天下会有差别的效果？

前面的表述为了轻便，有一点略微不敷正确的地方，

下面的形貌会比力正确一些，但是大概会有点枯燥，

我会只管即便让我的形貌更简单了解一些。

也因此打枪的方法来阐明，起首看看经典天下会是怎么样的。

经典天下的打枪

右边是一把枪，枪打出的子弹便是小明他们打出的一样，

完全随机的，在右边的靶子上会有子弹的记载，

假如网络的时间充足长，我们就会得到下面如许的效果。

经典子弹漫衍曲线

可以看到有些地方剂弹多一些，有些地方剂弹少一些，

但是团体来看，全部的子弹在整个靶子上漫衍是均匀的。

如今再来看别的一种情形，这时间放射子弹的枪不是一把，

而是有许多把，它们排成了一列，放射子弹的方法也是各自随机放射的。

手枪阵列

这个手枪阵列与上面的第一幅只有一把手枪的有两个区别，

此中一个区别是放射子弹的手枪从一把酿成了许多把，

第二个区别是背面靶子上的探测体系酿成了两个，

即小明和小刚同时看到两个子弹的情形，

靶子的漫衍

这便是小明和小刚赌钱的情形，

在经典天下里，可以看到他们俩的子弹漫衍也是平的，

也便是说小明和小刚的子弹漫衍是没有干系的，

无论小刚的子弹打在那边，小明的子弹打在那边也是随缘的。

下面再来看看雷同的题目，在量子天下里是怎么样的。

量子：原子放射子弹

与一把枪放射子弹的情形一样，

一个原子放射光子也是随机的，

得到的效果跟经典天下的效果是雷同的。

量子天下和经典天下在这种情形下是雷同的

上面的情形经典天下和量子天下的效果雷同的，但是下面就会有区别了。

一排原子放射光子

一排原子像一排手枪一样，各自独立放射光子，

探测的效果跟经典天下的区别如下：

一排原子放射光子的效果

这里可以看到一排原子和一排枪的情形有所区别，

即一个探测器探测到一个光子，

另一个探测器在雷同位置上探测到光子的几率比其他地方探测到光子的几率要高，

也便是说，小明与小刚在经典天下中打的赌，在量子天下中小明会赢。

也便是说，两个完全独立的光子竟然会知道相互的信息，

两个光子同时到达统一位置的几率要高于两个光子到达差别地方的几率。

正式一些的解说

为了形象解说经典天下和量子天下的区别，

上面的解说不敷严谨和正式，为了使这篇文章在专业人士的眼里也有一点代价，

以是还要加上一些更为正式一些的解说。

上面先容的物理征象的专业名称叫着热光的双光子聚束效应（Two-photon bunching of thermal light），

这个征象是1956年由一位物理学家和一位数学家互助发觉的，

HBT双光子聚束效应

他们的这个试验奠基了当代量子光学的底子，

是完全有资格得到诺贝尔物理学奖的，

但是不知道什么缘故原由，并没有得到。

从理论上解说他们试验的一位哈释教授在2005年得到了诺贝尔物理学奖，

这也是光子提出100年时的诺贝尔物理学奖，

以是黑白常有怀念意义的。

Glauber，2005年诺贝尔物理学奖

关于Glauber传授详细事情大概感兴趣的未几，

但是关于他有一个妙闻感兴趣的人大概更多，

即他一向卖力高校诺贝尔奖最终扫地的传授之一，

是名副实在的扫地僧。

搞笑诺贝尔奖的扫地僧

这也跟金庸中的武功第一的少林扫地僧一样，

外貌看起来做着扫地如许的事变，

但现实上的气力已经凌驾了在场的大多数。

扫地僧