现代量子力学的“无数学”（只有七部分）指南

一些技术革命伴随着戏剧性的轰鸣而响起，而另一些则在我们的日常体验中被忽视。本世纪最安静的革命之一是量子力学进入我们的日常技术。过去，量子效应仅限于物理实验室和精细的实验。但是现代技术的基本操作越来越依赖于量子力学，并且量子效应的重要性只会在未来的几十年中增长。

因此，是时候来解释量子力学了，或者至少是它的基本原理。

在这个由七个部分组成的系列文章中，我的目标是介绍量子力学的奇特美丽效果，并说明它们如何影响我们的日常生活。每个版本都将引导您进入量子力学的树林，在这里我们将欣赏到一种新的且常常令人惊讶的效果。回到访客中心后，我们将讨论该效果如何在技术中使用以及在何处寻找它。

撰写一系列量子力学文章可能令人生畏。没有什么比“简单介绍物理学”引发更多的恐惧了。但是，在我开始之前，我要勇敢而勇敢地承诺：

没有数学虽然量子力学的语言是使用相当高级的数学编写的，但我相信您不必先读日语就能欣赏日本艺术。我们的旅程将专注于量子世界的美丽。

没有哲学。人们一直对量子力学的“含义”着迷，但是我们将把讨论保留在酒吧里。在这里，我们将专注于我们所看到的。

我们遇到的一切都将通过实验验证。尽管其中一些结果可能令人惊讶，但我们所遇到的一切都不会是投机性的。

如果您选择跟随我阅读本系列文章，我们将看到银河系尺度上的量子现象，观察粒子的混合和混合，并了解这些影响如何导致我们当前的技术和即将实现的进步实验室的。

因此，在您着手探索量子世界时，请穿上您的心理远足靴，握住双筒望远镜，并跟着我。

我妈妈曾经问我：“量子力学是什么？”这个问题使我难过了一段时间。到目前为止，我最好的答案是量子力学是对小粒子如何运动和相互作用的研究。但这是一个不完整的答案，因为量子效应在银河系尺度上也很重要。而且这是双重不令人满意的，因为许多影响（如超导性）是由多个颗粒的混合和混合引起的。

在许多方面，可以将量子力学的作用理解为类似于牛顿引力和爱因斯坦的广义相对论。两者都描述了引力，但是广义相对论更正确-它描述了宇宙在我们设法测试的每种情况下如何工作。但是在99.99％的时间内，牛顿重力和广义相对论给出了相同的答案，牛顿重力更易于使用。因此，除非我们靠近黑洞或使用光学时钟精确测量时间，否则牛顿重力就足够了。

类似地，经典力学和量子力学都描述了运动和相互作用。量子力学是正确的，但是大多数时候经典力学已经足够好了。

我感到着迷的是＆＃34;足够好＆＃34;越来越不是。本世纪开发的许多技术开始依赖量子力学，而经典力学已不再足够精确，无法理解这些发明的工作原理。

因此，让我们从一个看似简单的问题开始，即“粒子如何运动？”开始今天的远足。

我们将看到一些实验需要专用的设备，但让我们从可以在家进行的实验开始。就像烹饪表演一样，我将解释如何做，但鼓励您继续并自己做实验。 （在下面的讨论中分享您的照片。在小隔间/工作地点/其他广告素材设置中进行实验设置的奖励积分。）

要研究粒子如何运动，我们需要一个好的粒子豌豆射手来制作很多粒子供我们玩。事实证明，除了逗猫之外，激光笔是一种很好的微粒来源。它产生了大量的光子，它们都以几乎相同的方向和几乎相同的能量（如它们的颜色所示）移动。

如果我们查看激光指示器发出的光，它会离开激光指示器的末端并直线移动，直到撞到障碍物并散射（或撞到镜子并反弹）。在这一点上，很容易让人猜测我们知道粒子是如何运动的：它们像小的滚珠轴承一样离开激光器的末端，并沿直线移动，直到碰到东西为止。但是，作为优秀的观察者，让我们确定一下。

让我们通过用剃须刀在铝箔上切细的缝隙来挑战障碍物。在铝箔上，我做了几个不同的切割。第一个是一个几毫米长的单缝。第二次，我将两个剃须刀堆叠在一起，并用它们切割了两个平行的缝隙，相距十分之几毫米。

在一个昏暗的房间里，我将激光笔设置为穿过房间射击并撞到一堵空白的墙壁。正如预期的那样，我看到了一个斑点（假设猫不在附近）。接下来，我将一条狭缝放入激光路径中的铝箔中，并观察墙上的图案。当我们将光发送通过单个狭缝时，我们看到光束沿垂直于狭缝的方向急剧扩展，而不是沿狭缝扩展。

现在，让我们将间距狭窄的狭缝放入激光束中。光线再次散开，但现在有条纹图案。

恭喜你！您刚刚发现了量子力学效应！ （whoo hoo动画表情符号），这是经典的双缝实验。条纹图案被称为干涉，是量子力学的标志。我们将看到很多类似的条纹。

现在您可能以前已经看到过这样的干扰，因为水和声波恰好显示出这种条纹。 在上面的照片中，每个球都产生波浪，这些波浪以圆圈的形式向外移动。 但是波浪既有波峰，也有波谷。 在某些地方，一个球的波峰总是与另一个球的波谷重合（反之亦然）。 在这些地区，海浪总是抵消，水很平静。 在其他位置，两个球的波峰始终会聚在一起，并合在一起形成一个非常高的波。 在这些位置，槽也加深了。 那么，当我们的激光笔穿过两个缝隙时我们看到条纹的事实是否意味着粒子是波？ 为了回答这个问题，我们将不得不更加仔细地观察。