量子物理学是什么？
量子物理学是在最基本的层面上针对物质和能量的研究，它的目标是揭示自然基本构件的属性和行为。
虽然许多量子实验着眼于非常非常小的东西，比如电子和光子，但量子现象就发生在我们周围，在各个尺度上都发挥着作用。但我们不太容易在较大的物体上发现它们。这就会给人一种错误的印象，认为量子现象很离奇，或者是“另一个世界”的东西。
事实上，量子科学的出现填补了我们在物理领域的知识空白，让我们对生活的世界有了更全面的了解。
量子物理学的起源
量子物理学诞生于19世纪末和20世纪初，它源自对原子的一系列实验观测，在经典物理学的背景下，这些观测根本说不通。
在这个领域最基本的发现是，物质和能量可以被看作离散的小包，或者叫量子（quanta）。例如，具有某种固定频率的光会以量子的形式传递能量，也就是光子。在这个频率下的每个光子将具有一样的能量，而且这种能量无法继续被分解成更小的单位。
到了20世纪，这些量子的知识逐渐改变了我们对微观世界的认识。
上个世纪70年代，物理学家建立了有史以来最精确的理论——粒子物理学标准模型，解释了所有已知基本粒子（比如电子、光子等）的属性和行为，以及它们之间的相互作用。
数学的重要性
量子物理学的许多概念对我们来说是难以想象的，比如我们无法同时精确地知道一个粒子的位置和速度，又比如两个纠缠的粒子无论相距多么遥远，一旦知道其中一方的信息我们就能立即获取另一方的信息。为了更好地理解这些有悖于直觉的概念，数学起到了至关重要的作用。方程被用来描述或帮助预测量子物体和现象，这比我们的想象力要精确得多。数学也是表示量子现象的概率性质必不可少的工具。
举个例子，早期的模型将电子描述为围绕原子核运行的粒子，就像卫星围绕地球运行那样。但现代量子物理学则认为，一个电子的位置可能并不确切。相反，它可能被描述为处于一系列可能的位置（比如在一个轨道内），每个位置都有一个在那里发现电子的概率。当电子获得或失去能量时，它们可以从一个轨道“跃迁”到另一个轨道上，但它们不会出现在轨道之间的位置。在整个系统中，数学就描述反映了电子在任何特定时间在特定范围内存在于多个位置的概率。
鉴于这种概率的特性，量子物体通常会用数学中的波函数加以描述，也就是所谓的薛定谔方程的解。然而，量子物体也可以同时在多个地方，有不同的状态，比如在叠加的情况下。波函数的解则提供了一种可能性，表明观测者在一系列潜在选项中可能找到一个特定物体的可能。
与其他物理理论相比，量子力学是特殊的，因为它描述的是物体在某些条件下可以像粒子一样运动，在其他条件下又可以像波一样运动。量子力学的核心方程是薛定谔方程，它描述了波函数（Ѱ）在时间上的变化，该函数与找到一个系统在特定状态下的概率分布有关。
实验与观测
在量子物理学的实验中，观测（测量）行为始终是一个绕不开的话题。在这个领域发展之初，科学家困惑地发现，仅仅是观测本身就会影响实验的结果。
例如，一个电子在未被观测时表现得像一个波，但观测行为就会使波坍缩（更准确的词是“退相关”），电子的行为就会变得像一个粒子。这种结果的变化可能是由量子现象和外部环境（包括用于测量的设备）之间的相互作用引起的。
一个粒子可以处于一系列可能的状态，然而当一个观测者进行测量时，波函数就会立即坍缩为一种可能的状态。
技术应用
量子科学领域或许看起来很神秘，甚至有些不合逻辑，但它的确描述了我们周围的一切。量子物理学的力量带来了许多技术应用的革新。这些发现是创新的宝贵资源，催生了激光、晶体管等设备，甚至让曾被认为是纯粹推测的技术取得了实际的进展，比如量子计算机。
目前，物理学家还在探索量子科学的潜力，从而改变我们对引力及其与空间和时间的联系的认识。
附录：与量子相关的技术
荧光灯：荧光灯的电极会加热并射出电子。这些电子反过来轰击灯泡内的少量汞。碰撞导致汞的电子跃迁到一个更高的量子能量状态。高能量的电子倾向于回到它们原本较低能的状态，在这个过程中，光子会被发射，产生我们看到的光。
半导体：顾名思义，半导体是一种电导率介于导体（比如铜）和绝缘体（比如玻璃）之间的材料，它们在日常电子产品中非常有用。事实上，所有电子产品的兴起都离不开我们对量子力学的理解。电导性可以被认为是电子在材料中的原子之间共享或离域的能力，这是它们量子叠加的结果。
激光：激光可以发出集中的光束，因为光波的方向都是一样的，而且它们是相干的，这意味着它们具有相同的频率和波形。激光的产生依赖于受激发射的技术，也就是用一个光子来刺激一个已经被激发的原子电子，让它下降到一个较低的量子能量态，并释放出两个相同的光子相干地传播。这个过程会在一个反射室中重复进行，直到许多光子相干地一同发射。
磁共振成像：人体内不同器官和组织的水和脂肪分子储存量各不相同，氢原子的密度因此也具有差异。磁共振成像（MRI）正是利用这些差异生成极为详细的图片。氢原子带正电的质子有一个与之相关的量子自旋，自旋的带电粒子会产生磁场。通常情况下，体内无数氢原子的磁场指向不同的方向，但是当施加一个强大的外部磁场时，原子磁场的轴会对齐。随后，仪器将施加特别调谐的无线电频率的脉冲，它会暂时将一些氢原子再次打乱。在脉冲之间，原子会与外部磁场重新对齐。在整个过程中，身体中具有更多氢原子的区域就可以被检测到并区分开来。
原子钟：典型的时钟依靠石英晶体来计时。当施加电压时，晶体能以精确的频率振动，这种振动就可以用来测量时间，误差在每小时十亿分之一秒的范围内。但在某些技术应用中，还需要一种更精确的时钟。原子钟是根据将原子或离子中的电子从较低的量子能量状态移动到较高的量子能量态所需的微波频率进行校准。使用这种技术，误差范围可以保持在每一亿年不超过1秒。
#创作团队：
撰文：Måka
设计：雯雯
#参考来源：
https://scienceexchange.caltech.edu/topics/quantum-science-explained/quantum-physics
https://scienceexchange.caltech.edu/topics/quantum-science-explained/quantum-technology
#图片来源：
封面图：Pixabay
首图：https://shorts.quantumlah.org
技术应用：Joel Caswell for Caltech Science Exchange
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