在原子和電子的層面上，量子物理學描述了極小物體的行為。太陽能電池板、LED燈、你的手機和醫院的MRI掃描器：所有這些都依賴於量子行為。它是物理學中經過最佳驗證的理論之一，我們一直都在使用它。
然而，從表面上看，量子領域是非同尋常的：在其中，量子物體可以“同時處於兩個地方”；它們可以穿過屏障；並共享一種無論相距多遠都存在的連線。與你對網球等物體的期望相比，它們的屬性當然是奇怪且違反直覺的。
但不要因此而被嚇倒！如果你停止將原子和電子視為微小的網球，而是將任何“量子物體”想象成你用手在水中推動而產生的水波，那麼量子物理學的許多奇怪行為就會變得不那麼令人驚訝了。你可以說，在小尺度上，一切都是由波組成的。
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本著揭秘量子行為的精神，以下是正常水波也能很好地完成的三種關鍵型別的“奇怪”量子現象，以及使量子世界與眾不同的唯一之處。
不奇怪：海森堡不確定性原理
想象一下扔一個網球。如果我們願意，我們可以追蹤網球在整個飛行過程中的確切位置和速度。奇怪的是，如果我們將球縮小到原子大小，這種追蹤就變得不可能了。
這種限制被稱為海森堡不確定性原理。在量子物理學中，不可能同時知道物體的精確位置和動量（速度乘以質量）。網球的動量只是其質量乘以其速度，但對於波浪，我們透過測量連續波峰之間的距離來確定動量，這個因素稱為波長。
然而，波浪是變幻莫測的，因此不可能100%精確地確定它們的位置和波長。在實踐中，任何波，無論是水波還是量子波，都將始終覆蓋一系列位置，並由一系列波長組成。你越限制其中一個範圍，你就越無法控制另一個範圍。
考慮兩種極端型別的水波：第一種是由風在無限長的運河上產生的規則間隔波紋的無限重複波。在那裡，你可以透過識別波峰和波谷的重複模式來測量波長。但是你無法說明波在運河中的“位置”，因為它沒有起點或終點。相反，對於由平靜池塘中單個細波峰組成的波浪，你可以測量其位置，但它沒有明確的波長，因為它永遠不會重複。
在實踐中，所有波浪都介於這兩個極限之間。量子波浪也沒有什麼不同。
不奇怪：疊加和糾纏
量子物體可以透過處於所謂的疊加態來“同時處於兩個地方”。考慮到波浪，這並不奇怪。波浪可以同時處於兩個地方。如果你將波浪傳送到分叉的通道中，它將很容易分裂並同時流過兩個通道。
相關的量子概念是糾纏，它將兩個波浪中的疊加結合在一起。例如，在靜置的沙拉醬中，油會漂浮在醋的上方。然後，小心地在油中產生波浪也會在醋中引起波浪，這看起來像是它們介面中的波紋。測量油波的波長也告訴我們醋波的波長。換句話說：這兩個波浪是連結的，它們的屬性相互依賴。
將分離的沙拉醬倒入分叉的通道中，這種情況仍然成立，因此混合的油醋波紋同時向下移動兩個通道。測量一個通道中油波的波長，你可以立即知道兩個通道中的所有波長，即使它們相距很遠。如果沙拉醬是量子的，你就可以說兩個通道中的波浪彼此“糾纏”。量子技術使用糾纏來建立牢不可破的加密或加速計算。對於你的沙拉來說，透過將沙拉醬搖勻成油醋汁來打破糾纏可能更有用。
不奇怪：隧道效應
量子物體的另一個看似奇特的壯舉是，它們有可能穿過屏障。這被稱為隧道效應。將網球扔向牆壁（只要牆壁保持站立），它就會彈回。用原子這樣做，你可能會在另一邊找到它。
在某些情況下，水波可以像量子粒子一樣穿過屏障，你可以在你的浴缸中演示這一點。為此，在浴缸中建造一個水下牆壁，這個牆壁足夠高，幾乎接觸到水面，但又沒有完全接觸到。如果你以傾斜的角度向這堵牆傳送波浪，它將始終從牆壁上彈回。這類似於所謂的光的全內反射。這僅取決於屏障的高度和波浪接近牆壁的角度。
雖然波浪無法越過屏障傳播，但它的一小部分尾部可以探測到另一側。如果牆壁足夠薄，你將看到尾部記住其原始運動並神奇地重新出現為行波。瞧，你的水波已經穿過牆壁隧道！“破碎”的全內反射的相同現象，但使用光線而不是水波，用於某些型別的觸控式螢幕顯示器。
非常奇怪：量子測量
雖然大多數奇怪的量子行為都可以透過將小粒子視為波浪而不是微小的球體來揭秘，但真正的量子怪異之處在於你測量量子物體時。無論是透過兩個不同通道傳播的波浪，還是透過屏障隧道效應的波浪，測量量子波浪都會導致整個波浪突然出現在單個位置：在一個通道中而不是另一個通道中，或者在屏障的一側而不是另一側。沙拉醬不會發生這種情況。
有趣的是，描述量子波浪的數學方程式並沒有解釋當我們測量它們時會發生什麼。物理學家們尚未就如何最好地描述或解釋這個過程達成一致意見。量子測量是將量子行為與水波區分開來的唯一事物，真正使量子物理學變得奇怪。
為了理解量子測量有多麼不尋常，想象一下有人對著一群人講話。聲波在人群中傳播開來，每個人都聽到了演講。然而，在量子世界中，聲波會像預期的那樣傳播開來，但是一旦人群中的一個人感知（或測量）到它，整個聲波就會集中在該人的耳朵裡，而其他人則聽不到它。
現在這很奇怪。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。