神奇的量子世界：薛定谔的猫和光的波粒二象性
说起神奇的量子世界，
很多人会想起薛定谔那只神秘的猫，
那只可怜的猫，这么多年了还在一直受折磨；
薛定谔和他那著名的猫
或者是光的波粒二象性，
即光子一会儿是波，一会儿又是粒子，
形象地来讲：如果量子世界的人能够滑雪的话，
那么就会出现一个人的两只腿分别从树的两边滑过去，
但是人还是一个完整的毫发无伤的人一样的情形。
微观世界滑雪的人
这些量子世界的现象，
在经典的世界里根本无法发生；
而我们人类生活的世界是一个经典世界，
我们的思维也是经典世界的思维，
用经典世界的思维也很难理解这些神奇的量子现象，
这也是为什么很多人说量子力学难以理解的原因。
量子-经典世界的分界
在我们所熟悉的经典世界，
所有的物体遵循牛顿定律和麦克斯韦方程组，
小到伽利略从比萨斜塔放下的两个小球，大到太阳和地球，
都遵循同样的经典世界的运动规律；
量子世界是我们所不熟悉的，
它适用于我们肉眼看不见的小物体如原子、分子、电子等物体，
由薛定谔方程来描述其中物体的运动规律。
经典世界和量子世界之间存在一个界限，
世界著名的物理学家Zurek用一副图描述了量子世界和经典世界的边界。
旗杆上：quantum-量子世界；Classical-经典世界
房子上贴牌：STOP! SHOW YOUR CLASSICAL APPARATUS.停下！把你经典世界的东西交出来。
下面的铅印小字：分开了由薛定谔方程决定的量子世界和牛顿定律决定的经典世界的分界线，是物理世界目前没有解决的问题之一。
手写的小字：图片出处，著名的物理学家Zurek1991年在Physics Today这个期刊上发表的文章插图。
一个更为神奇的量子现象
不论是薛定谔的猫，还是光的波粒二象性，
这些现象尽管神奇，
但是很多人都已经对这些现象进行了详细的说明，
网上也有很多这方面的资料，
感兴趣的朋友可以自己去搜索一番。
我这里要介绍的是一个更为神奇的量子现象，更难理解，
如果你觉得你能理解这个现象，
那么恭喜你，你已经迈入现代量子光学的门槛了。
醉汉
先从容易理解的经典世界说起。
有两个醉汉小明和小刚，喝的天昏地暗，已经搞不清东西南北了，
小明不知道怎么回事，
决定邀请小刚去打靶场打靶。
打靶场
虽然工作人员会保证他们的安全，
但是他们已经喝了很多酒，
所以他们朝靶子打的子弹是完全没有准心。
打到哪里也是凭运气，所以是完全随机的。
如果他们打靶的时间足够长，
可以发现靶上是有弹孔分布的，
只是靶孔的分布会是随机的，
并且他们打的时间足够长的话，
可以发现整个靶子上都会有弹孔。
靶孔
这时，小明跟小刚说：
“这样打靶子太没有意思了，
要不咱俩打一个赌？”
小刚说：“没问题，什么赌都奉陪到底。”
小明说：“你信不信？我不看你打靶，你随便怎么打，我都会跟你同时打到同一个地方？”
小刚说：“不信，你吹牛吧！”
小明想了想，说：“嗯，这个是有点过了，上帝也做不到这个。但是你信不信：
无论你打在哪里，什么时候打，我会有更高的几率跟你打在同一个地方？”
小刚说：“你喝多了吧？这不可能的！”
小明说：“别说那么多了，你就说你敢不敢打赌吧？”
小刚说：“来就来，谁怕谁啊？”
于是，他俩就在工作人员的见证下开始了他们这场赌博，
结果不出意外，小明输了。
小刚大笑道：“怎么样，知道我的厉害了吧？”
小明懊恼道：“真是喝多了，我还以为我活在量子世界里呢。在量子世界打同样的赌，肯定是你输！”
“你就继续吹牛吧，你应该少喝点酒了，你看你头脑都不清楚了。”小刚边摇头边说道，“我要回家了，你去你的量子世界吧！”
小明的话是在吹牛吗？
虽然小明输了，但是他说的话却有一部分是对的，
即如果同样的赌局是在量子世界中进行，
那么输的便不是小明，而是小刚。
具体什么原因呢？听我慢慢说来，
提前说明的是请原谅我目前能力不够，
不能讲到连小学生都能明白，
所以这里以后的内容需要初中以上的物理水平才能理解；
无师自通的天才
当然，如果你是小学水平甚至没有读过书，
依然也能明白我下面所讲的内容，
那么，显然不是我讲得好的原因了，
而是你就是那个传说中无师自通的天才。
量子世界的“醉汉”
量子世界中没有人，当然不会有醉汉，
但是量子世界中存在一个跟喝了酒到靶场大枪的小明和小刚一样的“个体”，
尽管“它”没有喝醉，
但是“它”发射出的“子弹”跟喝醉的小明打的枪的子弹一样：
什么时候打？打到哪里？都是完全随缘的。
这个“个体”就是原子，它打出的子弹就是光子。
原子：由原子核和外层的电子组成
原子是组成我们这个世界的基本粒子之一，
上图是一个简单的原子的示意图，中间红黄部分是原子核，由质子和中子组成，
外层分布在不同轨道上的蓝色粒子是电子，
上面这些你都可以不用了解，你只需要知道，
不同圆圈上蓝色小球的高度（能量）不一样，
如果蓝色小球从高的地方到了低的地方，这个原子就会发射出一个“子弹”——光子；
并且这个子弹的方向、发射的时间都是随机的，
就像喝醉的小明在靶场打的子弹一样。
模型介绍完了，我们就来看一看经典世界和量子世界的区别。
为什么经典世界和量子世界会有不同的结果？
前面的表述为了简便，有一点稍微不够准确的地方，
下面的描述会比较准确一些，但是可能会有点枯燥，
我会尽量让我的描述更容易理解一些。
也是以打枪的方式来说明，首先看看经典世界会是怎么样的。
经典世界的打枪
右边是一把枪，枪打出的子弹就是小明他们打出的一样，
完全随机的，在右边的靶子上会有子弹的记录，
如果收集的时间足够长，我们就会得到下面这样的结果。
经典子弹分布曲线
可以看到有些地方子弹多一些，有些地方子弹少一些，
但是整体来看，所有的子弹在整个靶子上分布是平均的。
现在再来看另外一种情况，这时候发射子弹的枪不是一把，
而是有很多把，它们排成了一列，发射子弹的方式也是各自随机发射的。
手枪阵列
这个手枪阵列与上面的第一幅只有一把手枪的有两个区别，
其中一个区别是发射子弹的手枪从一把变成了很多把，
第二个区别是后面靶子上的探测系统变成了两个，
即小明和小刚同时看到两个子弹的情况，
靶子的分布
这就是小明和小刚打赌的情况，
在经典世界里，可以看到他们俩的子弹分布也是平的，
也就是说小明和小刚的子弹分布是没有关系的，
无论小刚的子弹打在哪里，小明的子弹打在哪里也是随缘的。
下面再来看看类似的问题，在量子世界里是怎么样的。
量子：原子发射子弹
与一把枪发射子弹的情况一样，
一个原子发射光子也是随机的，
得到的结果跟经典世界的结果是类似的。
量子世界和经典世界在这种情况下是相同的
上面的情况经典世界和量子世界的结果相同的，但是下面就会有区别了。
一排原子发射光子
一排原子像一排手枪一样，各自独立发射光子，
探测的结果跟经典世界的区别如下：
一排原子发射光子的结果
这里可以看到一排原子和一排枪的情况有所区别，
即一个探测器探测到一个光子，
另一个探测器在相同位置上探测到光子的几率比其他地方探测到光子的几率要高，
也就是说，小明与小刚在经典世界中打的赌，在量子世界中小明会赢。
也就是说，两个完全独立的光子竟然会知道彼此的信息，
两个光子同时到达同一位置的几率要高于两个光子到达不同地方的几率。
正式一些的解释
为了形象解释经典世界和量子世界的区别，
上面的解释不够严谨和正式，为了使这篇文章在专业人士的眼里也有一点价值，
所以还要加上一些更为正式一些的解释。
上面介绍的物理现象的专业名称叫着热光的双光子聚束效应（Two-photon bunching of thermal light），
这个现象是1956年由一位物理学家和一位数学家合作发现的，
HBT双光子聚束效应
他们的这个实验奠定了现代量子光学的基础，
是完全有资格获得诺贝尔物理学奖的，
但是不知道什么原因，并没有获得。
从理论上解释他们实验的一位哈佛教授在2005年获得了诺贝尔物理学奖，
这也是光子提出100年时的诺贝尔物理学奖，
所以是非常有纪念意义的。
Glauber，2005年诺贝尔物理学奖
关于Glauber教授具体工作可能感兴趣的不多，
但是关于他有一个趣闻感兴趣的人可能更多，
即他一直负责高校诺贝尔奖最后扫地的教授之一，
是名副其实的扫地僧。
搞笑诺贝尔奖的扫地僧
这也跟金庸中的武功第一的少林扫地僧一样，
表面看起来做着扫地这样的事情，
但实际上的实力已经超过了在场的大多数。
扫地僧
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