量子力學是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支，主要研究原子、分子、凝聚態物質、原子核與基本粒子的結構、性質的基礎理論它與相對論一起構成現代物理學的理論基礎。根據研究物件的不同相對論更適合解釋宇宙中巨集觀大尺度上的物理規律，而量子力學則偏向於對微觀粒子進行解釋。

現在在我們耳邊越來越多的聽見這麼一句話，遇事不決量子力學。雖是調侃，不過從側面也可說明量子力學運用的廣泛與深刻。以前我們一聽見量子力學總感覺很高階，認為是前沿科學家研究的東西，其實它早已融入我們生活的方方面面。

量子力學描述了什麼？

量子力學描述了亞原子粒子的詭異的世界，深入該微觀世界直覺與常識都不再可行，這是一個物質如波一般擴散的世界，組成物質的微觀粒子可以同時存在於不同位置，彼此通過一種神祕的機制傳遞資訊（如我們的神經元一般，不過更加複雜神祕，從某種意義上說我們所見物質就如高階智慧所想象出來的）。

我們所有巨集觀稱之為真實的事物在量子力學中並非由真實的東西組成，最初人們是在光電效應中觀察到，只有特定顏色（也就是特定頻率）的光源才能使金屬表面的電荷轉移。進而愛因斯坦提出光不僅是波，還是一種粒子。

電子雙縫干涉試驗：

而後在20世紀20年代中期美國紐澤西州貝爾實驗室的一個關於產生電子粒子的實驗中進行了著名的電子雙縫干涉實驗。

如同水波的雙縫干涉

將單個電子對著雙縫發射時，雖然每次只發射一個電子不過當數量足夠多時其依然產生干涉條紋，由此可知當單個電子穿過兩道狹縫後會相互產生干擾（猶如水波一般），再投影到螢幕上便產生了如水波一般的干涉影象，每個電子都像波一樣移動著，如果我們不對電子進行測量，就很難知道其準確位置，而它可能不在任何一個地方而又同時位於任何地方，這聽起來有點瘋狂，不過量子力學的實質也就在於此。

概率波形態電子準備穿過雙縫

概率波電子同時穿過雙縫

穿過雙縫的電子自我干涉後投影產生干涉條紋

其後在此試驗的基礎上在狹縫處放置一光電探測器以便得知每個電子從哪個狹縫走，這時發生了詭異的一幕，干涉條紋消失，即處於量子疊加態的電子由於受到測量坍縮成只包含一個路徑的單態也就是確定的事物。

該試驗證實了外界的測量也就是意識與客觀事物之間的關係，從某種程度上說事物因我們的觀測而存在。沒有真實的世界存在，只有現實世界存在的可能性，這便是著名的哥本哈根詮釋。根據該解釋從某種意義上講月亮是因我們看著它才存在的。

舉頭望明月，低頭不見了？

生命是一場關於概率的遊戲，規則則是量子力學的基本定律。在此基礎上我們繼續來探討一下週圍存在的量子現象。

我們周圍有哪些量子現象？

1、感知外界的方式（嗅覺）：

嗅覺對於我們來說很奇特，我們能辨別世界上成千上萬種氣味，不同氣味勾起我們不同的回憶與情緒，也就是嗅覺影響了我們的內在感知。

瀰漫於空氣中的氣味

不同於視覺與聽覺通過接收波形式的資訊（如聲波與光波）來感受資訊，嗅覺是依靠人體對粒子與化學分子的探測來感受資訊。原本我們以為是人體感受（嗅覺感受器）到了不同的化學分子（氣味分子），這些分子因不同的結構形狀表現出不同的氣味然後被我們的鼻腔內不同受體所接收傳輸到大腦不同部位，於是感受到不同氣味。

最初科學家以為是分子結構的不同產生了不同氣味

不過在後來的實驗中表明，一些同樣的味道可以由兩種截然不同的物質所產生，它們的分子形狀結構截然不同，也表明了這一理論的缺陷。科學家給出的解釋，我們並非在聞氣體分子（漢語的博大精深，“聞”字內部是個“耳”字，古人已經想到我們的嗅覺也是一種聽覺），而是在聽。氣味分子首先與鼻腔內的受體配對成功，然後不同物質分子連結原子的分子鍵產生不同的震動頻率（電子在不同原子間的電子遷移 ），讓我們聽見不同味道。

如同琴絃一般的嗅覺

科學理論需要通過實驗加以驗證，我們將一物質在不改變其分子結構的前提下，將其分子內的原子用其他同位素進行替代，改變原子品質的同時其原子鍵的震動自然也發生了變化。實驗證明用同位素替換過原子的物質擁有完全不同的味道，在對照實驗中動物也能明顯分辨出不同的味道。而這一切都是由量子力學理論所支撐。

2、生物的成長（青蛙）：

眾所周知，青蛙都是由蝌蚪在幾周內發育變為青蛙形態的，在短短几周內尾巴被身體吸收變成新生長出來的四肢等部位。兩者差距之大，期間有大量物理化學反應參與其中，舊分子被拆分形成新的分子，最終變成穩定的青蛙形態。

蝌蚪形態逐漸變化

蝌蚪變為青蛙

其形態改變之大與迅速，背後原理也許與所有生命細胞中都必不可少的物質“酶”密不可分，酶對生命的正常運作起著決定性的作用，是細胞內的加工機器，所有細胞內的化學反應都是它在驅動，而青蛙要在短時間從蝌蚪變成熟也需要酶的加速化學反應。不過我們還可以從更加微觀的層面來研究這一過程。

科學家們認為是量子隧穿效應改變了這一切，它是指在微觀尺度上的亞原子粒子能穿越能量勢壘（就如巨集觀態，一個物體突然穿過了一面牆出現在牆的另一側），當然這一切都發生在量子微觀尺度上，而量子隧穿效應能使化學鍵更加容易解開也就是如青蛙的尾巴被分解一般，再通過酶的作用催化形成發達的四肢。

而量子隧穿效應廣泛存在與生物界，也從側面說明量子力學深刻影響著包括我們人類的所有生物，促使著生命的改變與進化。

3、植物光合作用：

我們知道幾乎所有植物都會吸收太陽能轉換成其內部能量（內部的葉綠素吸收），而其能量轉換效率之高几乎達到100％，然而葉綠素所吸收的光能需要全部精確的傳輸到反應中心來驅動化學反應才能實現如此高的能量轉換效率（如果能量不能全部精確到達反應中心便會以熱能的方式散發至外界），普通生物學顯然無法解釋這一現象。

植物的光合作用

科學家實驗通過向綠葉發射鐳射，發現葉綠素吸收鐳射產生的“激子”（傳給反應中心的能量）並非隨機發射而是有一定傳輸路徑的，這就涉及到量子力學中的核心原理“不確定性”，與量子力學中的描述相同，“激子”以概率波的形式覆蓋在整個細胞中（也就是同時出現在整個細胞中），就如波浪一般全方位擴散覆蓋所有路線，而“激子”能探尋到反應中心的所有路線，就必然能找到傳輸能量的最快路徑。這也是植物光合作用幾乎100％的能量轉化效率的祕密（這也許便是能光合作用的超人這麼厲害的原因了）。

激子能量以概率波形式充斥在整個細胞中被瞬間吸收

4、生物進化：

經典達爾文進化理論認為生物內部的變異是進化的基礎，自然界篩選出更加容易生存與繁殖的生物，其基因得以延續。而變異這一過程便是生物進化的根本性因素（也就是DNA的突變）。DNA複製時總是成對出現（複製過程中一般不會出錯），但偶爾也會出現突變。在這個過程中連線DNA兩條單鏈鍵的質子偶爾會跳到另一邊去，如果這時候DNA剛好在解旋並複製，則一對或幾對鹼基發生改變，使得原來的鹼基不能配對，也就是發生了基因突變，那麼新形成的DNA鏈便與原來有所不同，而很可能其蛋白質表達也發生改變。

而在這過程中連線鹼基的質子為何會跳躍到另一邊去呢？這也是量子隧穿效應在作祟，當達到質子般微小程度時質子能輕易克服勢壘穿越到另一邊去。而科學家們通過對照實驗也證明了這一猜想，在一組實驗中用普通水也就是氫原子核（只含質子），另一組用含氘元素（其品質是是質子的兩倍）的重水中培養，實驗結果顯示在氫原子核中培養的細菌其變異機率遠遠大於氘元素培養皿中的細菌。這也說明量子力學在生物進化中舉足輕重的地位。

兩組不同培養基細菌突變率對比

量子力學在現實中的應用

其實量子力學早已融入我們生活的方方面面，無處不在。我們都知道原子物理與任何物質的化學特性均是由原子與分子的電子結構所決定的。而原子、電子乃至更小的微觀粒子都遵循著量子理論的規則運動著。所以科學家通過對各類微觀粒子運動方式的研究發明了以下應用（當然量子力學的應用遠遠不限於以下所提出的）。

一、鐳射：

鐳射是我們通過外部手段（受激輻射）衝擊圍繞原子旋轉的電子，使其在重回低能級時迸發出光子（電子回到低基態時釋放出能量），而這些光子會繼續引發周圍原子發生同樣的變化釋放出光子，最終形成穩定的集束光子流，這些光子流的頻率和相位完全相同（就像一個模子克隆出來的），也就是我們所說的鐳射。而鐳射的應用範圍之廣涉及多領域早已融入我們生活的方方面面。我們從鐳射的以下特性來談談他的應用範圍。

1、鐳射方向性好

①鐳射制導：利用鐳射獲得制導資訊或傳輸制導指令使導彈按一定導引規律飛向目標的制導方法。該技術在近代戰爭中應用後大大提升了打擊精準度。

②測距 ：鐳射測距儀在工作時向目標射出一束很細的鐳射，由光電元件接收目標反射的鐳射束，計時器測定鐳射束從發射到接收的時間，計算出從觀測者到目標的距離。

③光碟：在讀取光碟中的內容時，用一束很細小的鐳射對其進行照射，掃描其中的螺旋形軌跡，反射回來的光強大小受光碟上的燒灼孔排布光樣調製（當然在燒錄光碟時也是用相同的原理，運用強度不同的鐳射對光碟進行燒灼），然後根據反射回光線的強弱轉換成二進位制的電脈衝訊號。該訊號經處理解碼還原成初始模擬訊號，便完成了光碟資訊的讀取。

2、鐳射亮度高

①鐳射切割：高亮度鐳射往往代表高能量，而這往往可以運用到鐳射切割中，鐳射切割利用聚焦的高功率密度鐳射束使被切割材料迅速汽化、熔化、燒灼或達到燃點，然後藉助與光束同軸的高速氣流吹除雜質，達到切割物體的目的，鐳射切割屬於熱切割。

鐳射切割

②鐳射誘導核聚變：眾所周知核聚變的的誘導發生需要極高的溫度，而鐳射的溫度能比太陽高不少，鐳射束能量用於產生向心爆聚與加熱靶心的熱斑燃料上從而引起聚變元素的連鎖聚變反應，是理想核聚變誘導裝置。

鐳射誘導核聚變連鎖反應

3、相干性好（也就是上文提到的頻率與相位的一致性好，發出的光完全相同）

①由於其較為完美的相干性， 使之能完美的進行調製，進而實現光纖通訊，而這恐怕是身處網際網路世界的我們最常見與重要的應用了，下面來說說光纖通訊的優點：

頻寬大：也就是我們常說的網速快，一根普通光纖傳輸速度可達1Tbit/s,而在實驗室中人們製作的波分複用光纖已達到160Tbit/s的傳輸速度。

距離遠：訊號衰減只有0.2dB/Km，也就是每千米訊號衰減僅有5％，過後人們只需給訊號進行中繼便可恢復到原來的強度，比電纜訊號傳輸強很多。

優秀的抗干擾能力與保密性：普通電纜傳輸資訊時其內部的電磁波訊號會形成一個類似天線的效果，外部能接收到電磁波，儘管有靜電遮蔽效果依然不理想。而光纖的光訊號由於是全反射原理被有效束縛於光纖內，再加上防護塗層能有效杜絕資訊的洩露，同時光訊號也不受外界電磁波訊號的干擾所以也有很強的抗干擾能力。

成本低：眾所周知光纖是由玻璃製成，而玻璃的原材料二氧化矽也就是沙子在地球上可謂取之不盡用之不竭，相比金屬銅的成本不知低多少，所以我們鋪設的大量的光纜用於通訊，光是海底光纜的長度便超過了25萬千米。

由玻璃構成

②鐳射全息技術

是指把傳播來的影象資訊通過數值技術處理，將影象的長波部分轉變成相位調製的全息圖，也就是全息光柵，利用衍射光學的方法實現投影。而要使光產生衍射現象即要求光源具有很強的相干性，那幾乎只可能是鐳射。

二、電子顯微鏡：

我們都知道電子顯微鏡出現之前一直是光學顯微鏡的天下，不過電子顯微鏡在光學顯微鏡的基礎上放大了1000倍。這是因為高速的電子的波長遠比可見光波長短，我們都知道長波繞射能力強，經過相對細小的物質受到干擾小不過也就是說探測細微事物的能力弱。

高精度電子顯微鏡

電子顯微鏡也正是利用了微觀粒子（包括電子）的波粒二象性，將頻率更高的電子照射在被測物體上相比於光子展現出了更多的細節。

三、核磁共振

核磁共振為當代醫療的監測手段提供了巨大幫助，是一種利用核磁共振原理的最新醫學影像新技術，對身體內各部分器官都能提供詳細的診斷，擁有成像引數多、掃描速度快、組織解析度高、影象更為清晰等特點，對各類組織性病變、早期腫瘤癌症的及時診斷等提供了重大幫助。

而該裝置的發明也是依據量子力學基礎理論。我們都知道原子核的震動頻率是由外加磁場強度與原子核本身性質所決定，當外加磁場頻率與其自旋頻率相同時，原子核便吸收外界磁場能量，發生能級躍遷，而在該過程中該原子吸收了特定頻率射頻場提供的能量，這便形成了一套核磁共振訊號。

四、原子鐘

目前我們普遍用到的都屬於銫原子鐘，簡單來說當銫原子震盪與微波頻率達到共振時，我們通過特殊儀器記錄下微波共振的頻率，這樣將該微波震盪的頻率作為一個時間基準。該方法測量時間的方式十分精準，號稱可以做到2*10的-15次方精度，也就是2000萬年才出現一秒的誤差。

而根據量子力學原理，原子只能是分立、非連續的能量狀態也就是量子化的，原子鐘也是測定了其原子基態超精細能級之間的躍遷所對應輻射的不同週期持續時間來測定的。

五、半導體

舉個例子電晶體（半導體元件的一種），作為所有電路中的放大器與轉換器（開關）功能，這也是我們電子裝置中最基礎的需求，因為它可以同時是導體與絕緣體，我們只需在電晶體中施加電壓便能控制電流的導通或停止也就是大學中學的門控功能。大家都知道我們的計算機是由一種編寫0和1的語言來實現計算的而電晶體的發現使得這一切成為了可能，可以說沒有半導體原件就沒有現在的計算機。

而正是對量子力學中能帶理論的研究才發現了各種半導體，能帶理論研究闡述了固體中電子在晶格中的運動規律、導電機構、合金的性質、金屬間的結合等特性，鐵磁鐵、鐵電體等的電磁特性、絕緣體與導體的原理。通過對該系列問題的研究提出二極體、三極體等（也就是電晶體）。

六、超導體（磁懸浮列車）：

一些特定物質會在接近絕對零度時，表現出超導的特性，其現象一般來說分為零電阻與內部抗磁性。

電阻大家在初中物理當中都有所了解，而超導體由於產生電流的電子流動不與原子相碰進而不會產生能量流失與熱量。內部抗磁特性簡單來說就是磁力無法穿透該超導體而排斥磁力，在排斥磁力的過程中如果兩物體位置為上下，就會出現我們所看到過的懸浮現象（邁斯納效應）。

而隨著我們研究的加深，發現這一現象並不只是斥力那麼簡單，而是一種被稱為量子鎖定的現象。簡單來說超導狀態的物體中存在少量磁場均勻分散在其內部，如量子疊加態一般。如其存在於另一磁場內它便會被四周斥力均勻擠壓從而鎖定住，這時候無論你怎麼改變兩者的位置其相對位置都不會改變。

無論正反或傾斜都將受到量子鎖定

而這股懸浮（鎖定）的力量是巨大的，物質達到其超導條件後可懸浮起自身重量7萬倍的物體，我們不由得想起現今的潛艇也是相同原理，其四周受到壓強相同使得潛艇得以懸浮。如果說將來的反重力技術得以實現相信也會與量子力學理論密不可分（引力場的克服）。

結語

以上僅是極少一部分運用量子力學知識所帶來的產物，而這已經深刻的改變了我們現在的世界：電腦、手機、網路訊號傳輸、全息投影、磁懸浮、電子顯微鏡等等，為我們更進一步研究微觀與巨集觀世界提供了可行道路，目前炙手可熱的AI技術也是在摩爾定律下更加微小合理電晶體電路排列形式與智慧邏輯程式編譯下所實現的。而現在人們迫切研發的量子計算機更是前景無限（眾所周知算力是AI的核心），詳情可參考小生以前一篇關於人工智慧的文章（https://www.toutiao.com/i6760566952491483659/）。

我們對量子力學理論的研究依然所知甚少，所發現的規律只是冰山一角，猶如管中窺豹，井底之蛙。即便如此它已使我們的生活發生了翻天覆地的改變。現在無論是電腦、網路、通訊還是物聯網，都是在軍事領域的競爭中所轉換而來（軍轉民，冷戰時美國選擇了計算機，俄羅斯選擇了太空航天）。而這些都是在人們對微觀世界基本粒子的研究中認識事物規律後所研發出的產物，只有基礎物理的進步才能徹底改變我們的世界，解決人類需求與自然間的平衡，實現和諧共生。

“遇事不決，量子力學”是一句調侃，但絕不僅僅是個玩笑，它說明了研究基礎物理的重要性，是未來發展的基石。