【盘点】给量子初学者的 5 篇好文

量子世界：构成现实的粒子的简明指南

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们所看到和经历的“经典”世界是由亚原子粒子产生的，所有这些粒子都受量子理论支配——这是最基本的宇宙。

古希腊人曾猜测，它可能是空气、火或水。一个世纪前，物理学家认为它是原子。今天，我们相信现实的最深层是由各种各样的基本粒子组成的，所有这些都受量子理论的支配。从这个看不见的、无限小的领域中，我们看到的和经历的一切都出现了。这是一个充满奇迹的世界，但它的怪异性也会让人感到神秘。

下面，我们将简明、清晰地介绍已知的粒子和力：从电子、夸克和中微子到光子和希格斯玻色子，以及量子定律和现象：包括波粒二象性、纠缠和不确定性原理，还有可以使暗物质和暗能量等宇宙学难题合理化的假想粒子、以及可能潜伏在量子领域之下的更奇怪的东西。最后，你将得到许多问题的答案，尤其是——万物理论到底是什么？

从我们基本确定的东西开始。可见的物质由原子组成，而在原子的中心是质子和中子——但即使这些也不是基本粒子，正如目前粒子物理学的 “标准模型”所详细描述的那样，我们可以开始研究物质到底是由什么构成的。

电子

电子比质子或中子轻约1800倍，对原子的整体质量影响很小。然而，如果没有电子，我们将几乎无法感受到物质。这是因为电子带有负电荷，存在于原子核周围的“轨道”或云中。当你触摸某样东西时，你指尖的原子并没有直接对准物体中的原子——相反，你所感受到的是你手指中原子核周围的负电子与物体中的负电子之间通过电磁力的相互排斥。

电子在日常生活中的几乎所有方面都起着主导作用。总的来说，当原子在固体、液体和气体中结合时，是通过转移或分享电子来平衡电荷并使事物稳定。所有的化学反应（从光合作用到燃烧，从分解到涉及我们味觉和嗅觉的微妙反应）同样归结为电子重新排列。它们也是电力的载体：它们在控制电流流动的晶体管中的精细操作，是使计算机和许多其他现代技术成为可能的原因。

夸克

夸克有两种类型，即上夸克和下夸克；区别在于，上夸克具有+⅔的分数电荷（即电子电荷的一部分），而下夸克为-⅓，并且质量较小。中子包含两个下夸克和一个上夸克；质子包含两个上夸克和一个下夸克，都与另一种基本粒子胶子粘在一起。做一下数学题，你就会发现，这就是为什么质子比中子稍轻，并且总体上有一个正电荷——正是这一点将负电子捆绑在原子核的轨道上。

中微子

在粒子物理学的标准模型中，电子和中微子被归类为轻子(lepton)，这个词来源于希腊语中的“小”。虽然电子的质量相对于质子、中子和夸克来说是很小的，但与中微子相比，它就是一头猛兽，据信它的质量要小一百万倍。更重要的是，由于是电中性的，因此不受电磁力的影响，中微子是最微弱的物质粒子，可以几乎完全不被发现地穿过物体。

不过，中微子确实偶尔会与物质发生作用，通过弱力参与各种类型的核衰变。但我们并不总是在这些事件中看到我们所期望的东西。这是因为量子定律允许中微子在不同的性质之间摆动：“电中微子(electron neutrino)”可以转化为“μ中微子(muon neutrino)”或“τ中微子”。

其他夸克和轻子

没有人知道它们为什么存在。事实上，它们似乎在宇宙中根本就没有一个非常积极的角色。

我们可以说的是，它们使事情变得更加复杂。例如，由于总共有六个不同的夸克，（除了我们熟悉的质子和中子之外）自然界还允许超过150个复合粒子。我们已经发现了许多二夸克和三夸克的复合粒子，现在正在发现四夸克和五夸克的复合粒子。

所有这些听起来可能只不过是集邮而已。但是产生这些复合粒子的速率的微小变化将解释为什么自然界似乎更喜欢物质而不是反物质。

光子

电子是日常物理学中的一种物质粒子，它与电磁力的载体——光子合作。当两个电子相互排斥时，它们会向相反的方向反冲；因为其中一个电子会发出光子，而另一个则会吸收。原子电子的排列使材料具有颜色，但正是材料对光子的吸收和再发射将其颜色传递给我们眼睛的视网膜。光子也使化学反应中电子的重新排列成为可能，因为它把能量输入或取出。

有时，我们看到这些光子是可见光，如燃烧反应中产生的火焰。更多时候，我们看不到；火焰也会以热的形式产生光子（红外辐射）。这些是不可见的，因为它们的能量太低，我们的眼睛无法检测。能量更小的光子构成了无线电波，而能量非常高的光子则构成了同样看不见但危险的紫外线、X射线和伽马射线。

胶子

将质子和中子内的夸克维系在一起的强核力是由胶子提供的。胶子通过夸克所特有的量子属性色荷来运作。在相互作用中，一个胶子可以改变一个夸克的色荷，但如果它这样做，另一个胶子将改变相邻的夸克的色荷。

胶子具有如此强大的控制力，以至于夸克从未被孤立地观察到。这也意味着胶子蕴藏着大量的能量，通过爱因斯坦的质能等价关系，转化为大量的质量。事实上，原子的绝大部分质量不是来自夸克和电子，而是来自胶子。

W和Z玻色子

与光子和胶子不同的是，W和Z玻色子是无质量的，并以光速传播，它们的速度很慢。然而，与光子和胶子相比，W和Z玻色子对其他粒子的影响要弱几千亿倍。这是因为，在量子物理学术语中，质量并不等同于强度（而是范围）：弱力的范围不到四亿分之一毫米（10-15毫米）。

尽管如此，它们仍然可以产生强大的后果。在太阳中氢气聚变为氦气的过程中，氢气质子中的一个上夸克变成了下夸克，将质子转化为中子。这是一个必要的步骤，因为与氢气不同，氦气除了需要质子之外还需要中子。为了实现这一点，前质子的正电荷必须随着一个W+粒子的发射而被带走。通过这种方式，不起眼的W玻色子保持了太阳的光辉，并使地球上的生命成为可能。

希格斯玻色子

希格斯场以理论家Peter Higgs命名，他是预测其存在的人之一，希格斯场是赋予粒子惯性质量的原因。希格斯场既不是力也不是物质，它在量子场中是独一无二的，因为它在空间的所有点上都有一个有限的强度，即使在真空中也没有足够的能量让它的粒子表现形式——希格斯玻色子出现。

物质粒子，以及弱相互作用的W和Z玻色子，在不同程度上被希格斯场有效地束缚住，从而获得惯性质量。否则，它们将是无质量的、像光子和胶子一样以光速运动。

量子

1900年，物理学家马克斯·普朗克试图弄清支配灯泡能量输出的数学原理。他认为，一个辐射体不是连续地发射能量，而是以包的形式释放能量，或称“量子”。

不久之后，阿尔伯特·爱因斯坦提出，所有的光都是由不可分割的、类似粒子的量子组成的，这些量子后来被称为光子。在适当的时候，物理学家们转而认为一切都以离散的数据包形式出现：能量、动量，当然还有粒子本身。可能的例外是万有引力，但今天大多数物理学家怀疑，即使是万有引力，最终也会被证明是可量化的，并写入量子物理学定律中。

大型强子对撞机的CMS检测器

迟早有一天，大多数粒子会衰变。事实上，正是通过分析它们衰变成什么，才发现了新的粒子。但是，粒子的衰变方式与树桩或潜伏在冰箱后面的那块奶酪不同，它们是渐进式的。例如，一个自由的中子可能是1分钟或100年，仍然有同样的可能性衰变成一个质子、一个电子和一个中微子；如果它发生了，它是突然和不可预测的。

爱因斯坦对这种随机性不以为然，著名的是他坚持认为上帝不会和宇宙玩骰子。然而，一次又一次的实验表明，量子过程并不是决定性的，而是内在的随机性。

科学家对粒子的勘测仍在继续。原文中还介绍了许多现在还没有找到的粒子；欢迎感兴趣的读者们进一步阅读原文。

原文链接：

https://www.newscientist.com/article/2367423-the-quantum-world-a-concise-guide-to-the-particles-that-make-reality/

宏观物体是否表现出量子行为？

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据量子理论，我们无法知道某个东西是在这里还是在那里，或者是这个还是那个，直到我们看着它。只有在“测量”之后，一个粒子才会有明确的属性。但是更大的东西呢？一组实验通过观察宏观物体是否表现出量子行为，探测了量子和“经典”世界之间的模糊边界。

长期以来，量子力学推动了我们对现实最微小世界理解的界限。无数的实验表明，粒子可以像波浪一样散开、或者似乎同时出现在多个地方。在量子世界中，我们只能知道某样东西出现在一个地方或另一个地方的可能性——直到我们看到它，这时它才会有一个明确的位置。

这使阿尔伯特·爱因斯坦感到不安。他说：“我喜欢认为，即使我不看它，月亮也在那里。”他认为像光子的偏振应该有一个独立于它是否被测量的值：他建议粒子可能带有“隐藏的变量”，决定双向状态如何崩溃。

现在，一类新的实验正在对爱因斯坦的信念进行测试，看看量子的怪异性是否超越了夸克、原子和量子比特的微小世界，延伸到桌子、椅子和月亮的日常世界。这一证明通常涉及到神秘的概率比较，但中国的物理学家以一种更清晰的方式说明了这一点：他们进行了一个配对游戏，在这个游戏中，两个玩家利用量子效应每次都能获胜，如果测量只是揭示现实已经存在，他们就不能获胜。

在发表在《物理评论快报》的一篇论文中，南京大学的物理学团队通过Mermin-Peres游戏更清楚地说明了这一点。在每一轮游戏中，Alice和Bob分享的不是一对、而是两对纠缠的光子，可以对其进行任何测量。每个玩家也有一个三乘三的网格，根据测量结果，在每个方格中填上1或-1。在每一轮中，裁判员随机选择Alice的一行和Bob的一列，它们在一个方格中重合。如果Alice和Bob在那个方格中的数字相同，他们就赢得了这一轮。

听起来很简单：Alice和Bob在每个方格中都放1，以保证赢。但不是那么快。额外的“奇偶性”规则要求所有在Alice一行的条目必须乘以1，而在Bob那一列的条目必须乘以-1。

如果隐藏的变量预先决定了测量的结果，Alice和Bob不可能每轮都赢。隐藏变量的每一组可能的值都有效地指定了一个已经被-1和1填满的网格。实际测量的结果只是告诉Alice该选哪一个。Bob的情况也是如此。但是，正如用铅笔和纸所显示的那样，没有一个网格可以同时满足Alice和Bob的奇偶性规则。因此，他们的网格必须至少在一个方格中出现分歧，平均而言，他们最多可以在九轮中赢得八轮。

量子力学让他们每次都能赢。要做到这一点，他们必须使用康奈尔大学的理论家David Mermin和以色列理工学院的理论家Asher Peres在1990年设计的一套测量方法。Alice对裁判员指定的行中的方块进行测量，而Bob则对指定的列中的方块进行测量。纠缠保证了他们在关键方格的数字上达成一致，并且他们的测量结果也遵守了奇偶性规则。整个计划之所以有效，是因为只有在进行测量时才会出现这些数值。网格的其余部分是不相关的，因为Alice和Bob从未进行过测量，所以数值也不存在。

南京大学汪喜林说，同时生成两对纠缠的光子是不切实际的。因此，相反，实验者使用了一对光子，它们以两种方式纠缠在一起：偏振和轨道角动量，这决定了一个波浪形的光子是向右还是向左。实验并不完美，但Alice和Bob在1,075,930个回合中赢了93.84%，超过了有隐藏变量的88.89%的最高值。

尽管在此之前，其他学者已经证明了同样的量子物理学，但南京大学团队“完全使用了游戏语言”。进一步，该演示可能有实际应用——验证量子计算机的工作；这项任务很重要，但也很困难，因为量子计算机应该能做普通计算机做不到的事情。

原文链接：

https://www.science.org/content/article/reality-doesn-t-exist-until-you-measure-it-quantum-parlor-trick-confirms

令人迷惑的悖论：新的“薛定谔的猫”

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rwin Schrödinger 著名的思想实验说，一只猫被困在盒子里，里面有一些可以杀死它的小袋鼠，在你打开那个盒子之前，它既死又活。它旨在说明量子理论坚持认为事物只有在我们观察时才会成为现实的荒谬性。但几年前，物理学家想出了一个新版本的薛定谔的猫，它提出了一个比原来更令人迷惑的悖论——一个似乎破坏了绝对、客观真理的概念的悖论。

当谈到量子理论时，似乎从来没有任何绝对的确定性。但是，当一些物理学家继续争论结果的真正意义时，其他人则从中看到了机会，这是一条线索，表明更强大的世界基本运作理论可能存在于何处。

量子理论以无与伦比的准确性描述了构成猫、我们以及所有事物的物质的工作原理：每次测量一个量子物体时，都会“坍缩”它的波函数、导致数学中编码的可能特征范围浓缩成一个特定的动量或位置。但是测量以相同方式准备的对象时，就可能会发现这些属性的不同值。只有通过重复相同的测量，才能根据波函数中编码的概率，逐渐建立起对物体整体真实性的感觉。

所以这里有一个问题：量子物体在测量它之前在做什么？它是否同时具有所有这些属性？还是一个都没有？当测量它、迫使它采用明确的“伪装”时，究竟发生了什么？

这些难题可能是科学中最基本的谜团——量子测量问题，的核心所在。而在测量之前，无法确定量子物体的真实性。

薛定谔勾画的场景旨在说明这种解释的明显荒谬性。它把一只有血有肉的猫放在一个盒子里，盒子里装有一瓶毒药，可以通过一种取决于放射性原子是否衰变的机制粉碎毒药——让这只猫去见它的制造者。根据哥本哈根解释，这种衰变的是或否在测量之前是不确定的。因此，猫的现实也是如此：它也处于既死又活的量子叠加态中。

这是连接量子世界和经典世界的自然结果。没有理论规定它们之间的界限，并且鉴于一个世界源自另一个世界，很难看出哪里可以有一个。量子叠加态往往非常微妙，这就是我们从来没有把像猫一样大而块状的东西放在一起的原因之一。但我们正在为此努力。现实世界的实验室实验已经将越来越大的物体置于量子叠加态中，甚至是肉眼可见的微小共振金属条。

多年来，出现了一大堆对立的思想实验来解释这些问题。

目前还不可能实施思想实验。我们距离拥有以所需方式连接量子实验的技术诀窍还有很长的路要走。但这也不是空谈、妄想：当量子计算机真正实现时，就可以将它们用作观察者，观测量子世界的变化。

自悖论首次流传以来，人们对其意义进行了热烈的讨论。一些人认为结果完全错误，并且存在错误或隐藏的假设使思想实验无效。德克萨斯大学奥斯汀分校的计算理论家Scott Aaronson并不认为自己属于该阵营。他认为思想实验代表了一个聪明的新场景，但拒绝了量子物理学需要能够描述自己的假设。 

“我们很早就知道，在我们试图做出量子力学预测时，我们自己被操纵的假设场景中，量子力学不再真正起作用，”他说。当然，当观察者本身处于叠加状态时，该理论就不起作用了。但我们不是，所以谁在乎呢？

原文链接：

https://www.newscientist.com/article/mg24132220-100-schrodingers-kittens-new-thought-experiment-breaks-quantum-theory/

时间纠缠如何将我们带到黑洞的中心？

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子纠缠是指两个相距很远的粒子尽管无法通信，但似乎会相互影响。但是，如果纠缠也可以及时发生，这样一个粒子就会受到未来发生的事件的影响呢？在这里，牛津大学的物理学家 Vlatko Vedral 解释了表明这一点的实验如何激发他和他的同事们彻底重新思考量子领域的时间。他说，这样，我们最终可以调和阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论与量子理论，并弄清楚黑洞中心发生了什么，这两种理论必须结合在一起。

原文链接：

https://www.newscientist.com/article/mg25534011-500-why-rethinking-time-in-quantum-mechanics-could-help-us-unite-physics/

更奇怪的量子引力理论

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因斯坦将量子纠缠称为“幽灵般的超距作用”，但它远非亚原子世界唯一令人难以忘怀的怪异特征。为了弄清楚为什么它如此奇怪，物理学家长期以来一直在研究量子理论的基础。

量子引力是指将引力与量子力学相结合的理论，旨在描述引力的量子行为。引力是描述物质之间相互吸引的基本相互作用，由爱因斯坦的广义相对论给出了经典的描述。然而，引力的量子性质在广义相对论框架下尚未得到完整的解释，从而引发了量子引力理论的探索。

引力的量子化是物理学中的一大难题，因为它需要将引力与量子力学的原则相统一。量子力学描述微观粒子的行为，而引力作用范围广泛，包括宏观和微观尺度。量子引力理论的目标是描述引力在微观尺度下的行为，包括引力的量子粒子（引力子）的交换、引力的量子涨落等现象。

目前，物理学界尚未找到一个完整且广泛接受的量子引力理论。有几种备受关注的理论候选，包括弦理论、循环量子重力理论、非局域量子场论等。这些理论试图通过不同的方法将引力与量子力学相结合，以解释引力的量子行为。

弦理论是最为人知的量子引力理论候选之一，它将基本粒子描述为维度极小的弦状物体，且其中引力是通过闭合弦的振动来传播。弦理论试图统一引力与其他基本相互作用，并提供了一种描述引力量子行为的框架。

圈量子引力论，或称循环量子重力理论，是另一种量子引力的研究方向，它将空间和时间视为基本的离散结构，通过循环算符描述了时空的演化。这种理论试图通过离散化时空来解决引力的量子化问题。

非局域量子场论是一种尝试，通过引入非局域性来解决引力的量子化问题。这种理论假设量子力学中的非局域性可以用于描述引力的行为，并尝试将引力与量子力学的非局域性相结合。

上述量子引力理论的最大挑战之一，在于它们的数学计算的复杂性：这些理论的数学形式和计算方法非常复杂，涉及到高度抽象的数学概念和技术。理解和操纵这些理论需要非常深入的数学和物理知识。同时由于理论的复杂性，我们尚未能够从理论中与计算机模拟中得出任何较令人满意的答案。

除了上述的量子引力理论，科学家们最近开发出了一种新型的量子引力理论，称为“因果动力学三角测量”（Causal dynamical triangulation，简称：CDT）的量子引力理论。

该理论最早由荷兰拉德堡德奈梅亨大学数学、天体物理学和粒子物理学研究所的理论物理学教授Renate Loll等人在1997年提出。它通过将时空视为由简单的三角形组成的离散结构，将时空几何分割成离散的小区域。每个小区域都有一个固定的时间方向，即所谓的“因果”性质，这是该理论的重要特征。

该理论的基本假设是，时空的几何结构可以通过这些三角形和它们的连接方式来描述。这些三角形表示时空中的局部空间，它们通过共享边和顶点相互连接。这样的离散化方法允许对时空的量子涨落进行精确计算。

该理论通过定义在离散时空中的路径积分来描述量子引力。路径积分是一种数学工具，用于计算量子系统的概率振幅。通过对所有可能的离散时空几何进行求和，路径积分可以给出相应时空结构的概率分布。

该理论的研究主要关注于理解离散时空结构的演化和性质。研究人员使用数值模拟和计算方法，探索不同的三角剖分方式和规则，并研究时空结构的性质，例如维度、拓扑性质和曲率。

该理论现在量子引力研究领域取得了一些重要进展，越来越得到学界的广泛注意。这种量子引力的数字化探索，据称将过去停滞不前的量子引力理论向前推进了一步，同时将未完备的量子场论向前推进了一步。量子场论是一种物理学理论，用于描述微观世界中基本粒子的行为和相互作用。它结合了量子力学和场论的概念，是粒子物理学中最重要的理论之一。但是量子场论在如引力的量子化、量子场论的发散问题、规范对称性和自洽性问题等重要问题上未能达到完备的答案。

因此，该量子引力理论被认为可以进一步地了解我们能否预测极早期的宇宙应该是什么样子？这是一项非常有趣的工作，就像实验家的工作一样，梳理出这些属性。量子引力是如此丰富，有如此多的事情可能发生，而科学家目前只是触及了所有可能发生的事情的表面。所以这只是一个开始，这可能是一个非常有趣且不平凡的故事，量子引力理论可能会走向一个新的方向。

——这是一种优雅的理论，通过计算机模拟量子引力时产生了令人惊讶的发现。这一量子引力的数字探索理论可能有一天会导致对时空结构如何形成的新见解。

原文链接：

https://www.sohu.com/a/679986680_348129