现代量子力学的“没有数学”（但七部分）指南

一些技术革命与戏剧和爆炸进入，其他人触动我们日常经历。我们本世纪的最安静的革命之一一直是将量子力学进入我们日常技术。它曾经是量子效应被限制在物理实验室和精致的实验中。但现代技术越来越依赖于量子力学的基本操作，量子效应的重要性只会在几十年来上增长。

因此，时间已经来解释量子力学 - 或者至少，它的基础知识。

我的目标在这七个（！） - 部分系列是介绍量子力学的奇怪美好的影响，并解释他们如何影响日常世界。每张版本都将包括一个导游的徒步旅行，进入量子机械树林，我们将欣赏新的和经常令人惊讶的效果。一旦回到访客中心，我们将讨论如何在技术中使用该效果以及在哪里寻找它。

踏上一系列量子力学物品可以令人生畏。很少有事情引发更多的恐惧，而不是“简单的物理学介绍”。但是对于英勇和勇敢，在我们开始之前，我将在一些承诺：

• 没有数学。虽然量子力学的语言是用相当高的数学写的，但我相信你不必先读日语才能欣赏日本艺术。我们的旅程将聚焦于量子世界之美。
• 没有哲学。人们对量子力学的“意义”一直很着迷，但我们将把这个讨论留在酒吧里。在这里，我们将关注我们所看到的。
• 我们遇到的一切都将经过实验验证。虽然有些结果可能令人惊讶，但我们遇到的一切都不是推测性的。

如果你选择跟随我读完这一系列文章，我们将看到银河尺度上的量子现象，观察粒子的混合和混合，并看到这些影响如何带来我们当前的技术和先进的边缘，使它走出实验室。

所以穿上你的精神徒步靴，拿上你的双筒望远镜，跟我一起去探索量子世界。

什么是量子力学?

我妈妈曾问我，“什么是量子力学？”这个问题已经让我陷入了一段时间。到目前为止，我最好的答案是量子力学是研究小粒子移动和相互作用的研究。但这是一个不完整的答案，因为量子效应也可能对银河系统尺度很重要。并且它是双重不令人满意的，因为超导性等许多效果是由多种颗粒的混合和混合引起的。

在许多方面，可以以类别与牛顿重力和爱因斯坦的一般相对论类似地理解量子力学的作用。两者都描述重力，但是一般相对论更为正确 - 它描述了宇宙如何在我们设法进行测试的各种情况下工作。但99.99％的时间，牛顿重力和一般相对论提供相同的答案，牛顿重力是很多更容易使用。所以除非我们接近黑洞，或者用光学时钟精确测量时间，牛顿引力就足够了。

类似地，经典力学和量子力学都描述运动和相互作用。量子力学更正确，但大多数情况下经典力学就足够了。

我发现有趣的是，“足够好”越来越不是。本世纪发展起来的许多技术开始依赖于量子力学——经典力学已不再足够精确，无法理解这些发明是如何工作的。

所以让我们开始今天的徒步旅行，一个简单的问题，“粒子如何移动？”

厨房的量子力学

我们将看到一些实验需要专门的设备，但让我们从一个你可以在家做的实验开始。就像烹饪节目一样，我会解释怎么做，但鼓励你跟着做，自己做实验。(在下面的讨论中分享你的照片。如果你把实验安排在你的小隔间/工作场所/其他创造性的环境中，就会得到加分。)

为了研究粒子的移动方式，我们需要一个良好的颗粒豌豆射手，为我们制作大量粒子。除了娱乐猫之外，它还发出激光指针，是一个伟大的粒子的来源。它产生了大量的光子，所有的光子都朝着几乎相同的方向运动，具有几乎相同的能量(由它们的颜色表示)。

如果我们从激光指示器看光，它会退出激光器指针的末端并以直线移动，直到它击中障碍物并散发（或击中镜子和反弹）。此时，猜测我们知道粒子如何移动：它们在激光器的末端退出，就像小球轴承一样，直到它们击中某些东西。但作为良好的观察员，让我们肯定。

让我们通过用剃刀刀片切割铝箔的薄片来挑战​​颗粒用障碍术。在铝箔中，我制作了几个不同的削减。第一个是单个狭缝，长几毫米。对于第二个我将两只剃刀刀片堆叠在一起，并用它们剪切两个平行的狭缝几十分之一的毫米。

在一间黑暗的房间里，我把激光笔对准房间的另一头，然后击中了一堵空白的墙。不出所料，我看到了一个地方(如果猫不在附近的话)。接下来，我把铝箔上的一个狭缝放在激光的路径上，然后观察墙上的图案。当我们让光通过一条狭缝时，我们看到光束在这个方向上急剧膨胀垂直的到狭缝，不是沿着狭缝。

有趣的。但是让我们按下。

现在让我们把这些紧密间隔的缝隙放进激光束。光线再次散开，但现在出现了条纹图案。

恭喜你!你刚刚发现了量子力学效应!这是一个经典的双缝实验。这种条纹图案被称为干涉，是量子力学的标志。我们会看到很多这样的条纹。

现在你可能已经看到了这样的干扰，因为水和声波显示了这种条纹。

在上面的照片中，每个球都会产生在圆圈中搬出的波。但是波浪既是巅峰和槽。在一些位置，来自其中一个球的波的峰值总是与另一个槽一致（反之亦然）。在这些领域，海浪总是抵消，水很平静。在其他位置，来自两个球的波的峰总是一起到达并加起来使波浪成为高大的波。在这些位置，槽也加起来额外深入。

事实上，我们看到条纹当我们的激光指针经过两个狭缝时意味着粒子是波浪？要回答这个问题，我们必须更仔细地看起来。