最后更新：2023年2月13日

我们的物质不是量子！

量子力学的奇异之处

我想我可以肯定地说，没有人真正理解量子力学。——理查德·费曼（1918-1988），量子物理理论学家。量子力学的内涵极其复杂且非同寻常，以至于科学界的许多人选择回避它。然而，物理学家们就如何通过计算来解释量子现象达成了共识，但对于如何统一阐释这些现象却未能形成一致意见。这为各种形式的科普解读留下了空间，但我们在接触这些解读时需保持谨慎。许多文章或视频告诉我们，一切皆量子。“量子”一词在日常生活中被广泛滥用，涉及核物理、化学、固态物理、光学、宇宙学、电子学、医学、生物学等多个领域。物质和光的这种量子奇异性已渗透到我们的经典世界中。在粒子尺度上，原子是量子的，光子是量子的，因此通过外推，整个宇宙（物质和能量）都是量子的。于是，人们很容易将“量子”一词泛化到一切存在之物。然而，尽管量子物理在宏观尺度上有所体现，它主要关注的仍是无限小的世界——即粒子、原子以及由数十个原子组成的分子。只有在原子和亚原子尺度上，物质的量子概念才会显现。这些概念包括波粒二象性、态叠加、量子纠缠和非局域性（此处不作详细解释）。正是凭借这些概念，量子物理得以极其精确地描述物质的结构及其物理性质（如质量、半径、化学键性质、稳定性、能级等）。

量子概念的示例

- 孤立原子是一种纳米尺度的波。- 真空中的孤立铁原子同时占据无限多个不同位置。- 两个光子一旦共同产生，无论之后相隔多远，都会保持纠缠态。

为什么这些量子态在宏观尺度上会消失？

这些物质状态违反直觉，因为我们所处的世界由数十亿个粒子构成，无法观察到此类现象。在微观尺度上，孤立的量子物体更像占据整个空间的波，无法精确定位。这意味着当相互作用作用于它时，会遭遇一个弥散模糊的物体，而非具有特定体积、位于特定位置的粒子。被广泛接受的退相干理论指出，一旦物体过大或与环境（空气、液体、固体、光等）中的物质发生过多相互作用，其量子特性便会消失。

通过与环境的相互作用，量子对象将过渡到另一个尺度。在其游荡过程中，它会遇到环境中的其他对象（物质和光）并与之互动。这些相互作用的复杂性使得它必须采取一种立场，因为其所有量子态会迅速变得不连贯，因此得名“退相干理论”。从数学上讲，这些相互作用会破坏对象的量子相位，即波的显现。这种相位差最终变为零，对象将以系统中最可能的物理状态之一出现在我们的宏观世界中。换句话说，与环境原子的任何碰撞都会使量子对象缩减，这被称为“波函数坍缩”。

既然量子物体无法脱离地球环境，我们如何知道其量子态存在？

所有量子物理实验均在极端条件下进行，例如超高真空或极低温度（接近绝对零度），或两者兼具。有时甚至需要数百倍于我们环境的高压。在所有情况下，我们的粒子在被测量前绝不能与其他粒子相遇。即便是宏观物体中出现的超导电性（无电阻）或超流性（无黏性），也无法在室温下显现，只有在温度接近绝对零度时才能被观测到。例如，当液氦被冷却至绝对零度以上不到两度时，微粒会重新转化为波，并汇聚成单一巨波，对应玻色-爱因斯坦凝聚态。只要真空与温度的极端条件持续存在，这种波就能抵抗退相干并持续存在。正因如此，绝对零度以上两度的液氦能穿过玻璃壁的纳米孔洞（波不再具有黏性）。一旦离开玻璃，波与物质（空气）相互作用后消失，重新显现为微粒，氦滴在玻璃下方凝结。若无这些极端条件，在我们的日常生活中，量子效应便不存在——我们的环境过于丰富、混乱、活跃且无序。然而，量子效应并非瞬间出现或消失。我们并非从无量子效应的富信息环境突然跃迁至量子效应显现的贫信息环境。波函数φ(r,t)或概率密度并非瞬间归零，而是缓慢衰减，最终消失在经典世界中。所有量子物体均以波函数（psi）为特征，它描述了粒子在空间中某点出现的概率。只有在测量时，粒子才会坍缩（与环境相互作用）至一个可能但不可预测的精确位置。量子物体始终存在一个退相干时间，使其在经典状态中显现；这个时间虽短但非零，这使我们能够对其进行测量。

总之，

量子对象非常脆弱；其脆弱性源于超高真空或超低温的条件。在这些极端条件下，量子物理学的概念已被充分理解。一个世纪以来，没有任何实验推翻过它的方程式。

我们的物质不是量子！

量子力学的奇异之处

量子概念的示例

为什么这些量子态在宏观尺度上会消失？

既然量子物体无法脱离地球环境，我们如何知道其量子态存在？

总之，

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