Question

量子力学的初步理解

Answer 1

这几天看了中山大学中山大学天文与空间科学研究院院长李淼教授所写的《给孩子讲量子力学》。虽然是给孩子讲的，但是作为科普读物我们其实都该读一读。

为什么要读量子力学？

量子力学是人类对宇宙、物质、世界认识的最前沿的物理认知，而这一对物质世界的认知正在转变成影响世界的科技，成为人类最顶尖科技发明的理论依据。从核能、半导体技术、量子计算机到跨越空间的瞬间转移都是基于量子力学理论的应用。

这本书解决了我的什么疑惑呢？量子力学不确定性原理。

不确定性原理（Uncertainty principle）是由海森堡于1927年提出，这个理论是说，你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度

在宏观物质世界我们都是很“确定”的，比如我们可以计算出月亮绕地球的公转速度，以及月球的轨道，我们一旦确定这些就可以知道多久之后月球会出现在什么地方？但是在微观的量子世界不是这样，我们根本无法同时测准一个量子的位置和动量。为什么会这样呢？我理解的是因为我们的观测手段引起的，我们观测量子必须“看”到，我们是如何看到的呢？我们眼睛用反光。光也是有能量的，当我们用光打到量子的时候，等于说也给了量子一个动量，我们看见它了确定了它的位置但是它的动量也就改变了也就测不准了。同时如果我们不用光照它，我门就看不见它，就不能测准它的位置。这样你就明白了因为我们的观测手法以及量子本身的特性导致它的测不准，它肯定有同时的位置和动量，只是我们人类测不到，我们无法同时知道。

量子力学还解释了物质的什么特性呢？

电子是围绕原子核旋转的。

我们初中物理已经讲到过原子的构成，就是上图中的模型。其实电子和原子核都是非常非常小的粒子，中间存在这很大的距离，电子云就是这个活动半径。量子力学给出了一个宏观物质为何不塌缩的解释，因为电子可以在任意时刻出现在电子云的任意位置。就是虽然原子核可能只有一个电子绕它转，但是这个电子有个特意功能就是瞬时出现在他的轨道半径内的任意位置，像拥有了神奇的分身术一样。

正因为量子力学能够解释我们的微观世界，进而微观物质构建宏观世界，我们才能了解我们世界的本质。而前段时间大热的量子计算就是量子力学的又一应用。我们现在用的计算机是基于半导体的，每个计算状态只有0或1的一种，也就是开或关。但是由于量子的特性，量子既可以是关也可以是开，也就是能够同时表达0和1。所以同样计算数目单元的计算机，量子计算机是指数型增长的，而我们现有的半导体是线性。当量子计算机的计算单元达到49个后，现有计算机的能力根本无法与之匹敌，就是量子计算机的算力霸权。假如量子计算机真的突破了。现在比特币的加密算法就得改，因为量子计算机能够短时间内暴力破解了你的密钥。