神奇的量子世界：薛定諤的貓和光的波粒二象性
說起神奇的量子世界，
很多人會想起薛定諤那隻神秘的貓，
那隻可憐的貓，這麼多年了還在一直受折磨；
薛定諤和他那著名的貓
或者是光的波粒二象性，
即光子一會兒是波，一會兒又是粒子，
形象地來講：如果量子世界的人能夠滑雪的話，
那麼就會出現一個人的兩隻腿分別從樹的兩邊滑過去，
但是人還是一個完整的毫髮無傷的人一樣的情形。
微觀世界滑雪的人
這些量子世界的現象，
在經典的世界裡根本無法發生；
而我們人類生活的世界是一個經典世界，
我們的思維也是經典世界的思維，
用經典世界的思維也很難理解這些神奇的量子現象，
這也是為什麼很多人說量子力學難以理解的原因。
量子-經典世界的分界
在我們所熟悉的經典世界，
所有的物體遵循牛頓定律和麥克斯韋方程組，
小到伽利略從比薩斜塔放下的兩個小球，大到太陽和地球，
都遵循同樣的經典世界的運動規律；
量子世界是我們所不熟悉的，
它適用於我們肉眼看不見的小物體如原子、分子、電子等物體，
由薛定諤方程來描述其中物體的運動規律。
經典世界和量子世界之間存在一個界限，
世界著名的物理學家Zurek用一副圖描述了量子世界和經典世界的邊界。
旗杆上：quantum-量子世界；Classical-經典世界
房子上貼牌：STOP! SHOW YOUR CLASSICAL APPARATUS.停下！把你經典世界的東西交出來。
下面的鉛印小字：分開了由薛定諤方程決定的量子世界和牛頓定律決定的經典世界的分界線，是物理世界目前沒有解決的問題之一。
手寫的小字：圖片出處，著名的物理學家Zurek1991年在Physics Today這個期刊上發表的文章插圖。
一個更為神奇的量子現象
不論是薛定諤的貓，還是光的波粒二象性，
這些現象儘管神奇，
但是很多人都已經對這些現象進行了詳細的說明，
網上也有很多這方面的資料，
感興趣的朋友可以自己去搜索一番。
我這裡要介紹的是一個更為神奇的量子現象，更難理解，
如果你覺得你能理解這個現象，
那麼恭喜你，你已經邁入現代量子光學的門檻了。
醉漢
先從容易理解的經典世界說起。
有兩個醉漢小明和小剛，喝的天昏地暗，已經搞不清東西南北了，
小明不知道怎麼回事，
決定邀請小剛去打靶場打靶。
打靶場
雖然工作人員會保證他們的安全，
但是他們已經喝了很多酒，
所以他們朝靶子打的子彈是完全沒有準心。
打到哪裡也是憑運氣，所以是完全隨機的。
如果他們打靶的時間足夠長，
可以發現靶上是有彈孔分佈的，
只是靶孔的分佈會是隨機的，
並且他們打的時間足夠長的話，
可以發現整個靶子上都會有彈孔。
靶孔
這時，小明跟小剛說：
“這樣打靶子太沒有意思了，
要不咱倆打一個賭？”
小剛說：“沒問題，什麼賭都奉陪到底。”
小明說：“你信不信？我不看你打靶，你隨便怎麼打，我都會跟你同時打到同一個地方？”
小剛說：“不信，你吹牛吧！”
小明想了想，說：“嗯，這個是有點過了，上帝也做不到這個。但是你信不信：
無論你打在哪裡，什麼時候打，我會有更高的幾率跟你打在同一個地方？”
小剛說：“你喝多了吧？這不可能的！”
小明說：“別說那麼多了，你就說你敢不敢打賭吧？”
小剛說：“來就來，誰怕誰啊？”
於是，他倆就在工作人員的見證下開始了他們這場賭博，
結果不出意外，小明輸了。
小剛大笑道：“怎麼樣，知道我的厲害了吧？”
小明懊惱道：“真是喝多了，我還以為我活在量子世界裡呢。在量子世界打同樣的賭，肯定是你輸！”
“你就繼續吹牛吧，你應該少喝點酒了，你看你頭腦都不清楚了。”小剛邊搖頭邊說道，“我要回家了，你去你的量子世界吧！”
小明的話是在吹牛嗎？
雖然小明輸了，但是他說的話卻有一部分是對的，
即如果同樣的賭局是在量子世界中進行，
那麼輸的便不是小明，而是小剛。
具體什麼原因呢？聽我慢慢說來，
提前說明的是請原諒我目前能力不夠，
不能講到連小學生都能明白，
所以這裡以後的內容需要初中以上的物理水平才能理解；
無師自通的天才
當然，如果你是小學水平甚至沒有讀過書，
依然也能明白我下面所講的內容，
那麼，顯然不是我講得好的原因了，
而是你就是那個傳說中無師自通的天才。
量子世界的“醉漢”
量子世界中沒有人，當然不會有醉漢，
但是量子世界中存在一個跟喝了酒到靶場大槍的小明和小剛一樣的“個體”，
儘管“它”沒有喝醉，
但是“它”發射出的“子彈”跟喝醉的小明打的槍的子彈一樣：
什麼時候打？打到哪裡？都是完全隨緣的。
這個“個體”就是原子，它打出的子彈就是光子。
原子：由原子核和外層的電子組成
原子是組成我們這個世界的基本粒子之一，
上圖是一個簡單的原子的示意圖，中間紅黃部分是原子核，由質子和中子組成，
外層分佈在不同軌道上的藍色粒子是電子，
上面這些你都可以不用瞭解，你只需要知道，
不同圓圈上藍色小球的高度（能量）不一樣，
如果藍色小球從高的地方到了低的地方，這個原子就會發射出一個“子彈”——光子；
並且這個子彈的方向、發射的時間都是隨機的，
就像喝醉的小明在靶場打的子彈一樣。
模型介紹完了，我們就來看一看經典世界和量子世界的區別。
為什麼經典世界和量子世界會有不同的結果？
前面的表述為了簡便，有一點稍微不夠準確的地方，
下面的描述會比較準確一些，但是可能會有點枯燥，
我會盡量讓我的描述更容易理解一些。
也是以打槍的方式來說明，首先看看經典世界會是怎麼樣的。
經典世界的打槍
右邊是一把槍，槍打出的子彈就是小明他們打出的一樣，
完全隨機的，在右邊的靶子上會有子彈的記錄，
如果收集的時間足夠長，我們就會得到下面這樣的結果。
經典子彈分佈曲線
可以看到有些地方子彈多一些，有些地方子彈少一些，
但是整體來看，所有的子彈在整個靶子上分佈是平均的。
現在再來看另外一種情況，這時候發射子彈的槍不是一把，
而是有很多把，它們排成了一列，發射子彈的方式也是各自隨機發射的。
手槍陣列
這個手槍陣列與上面的第一幅只有一把手槍的有兩個區別，
其中一個區別是發射子彈的手槍從一把變成了很多把，
第二個區別是後面靶子上的探測系統變成了兩個，
即小明和小剛同時看到兩個子彈的情況，
靶子的分佈
這就是小明和小剛打賭的情況，
在經典世界裡，可以看到他們倆的子彈分佈也是平的，
也就是說小明和小剛的子彈分佈是沒有關係的，
無論小剛的子彈打在哪裡，小明的子彈打在哪裡也是隨緣的。
下面再來看看類似的問題，在量子世界裡是怎麼樣的。
量子：原子發射子彈
與一把槍發射子彈的情況一樣，
一個原子發射光子也是隨機的，
得到的結果跟經典世界的結果是類似的。
量子世界和經典世界在這種情況下是相同的
上面的情況經典世界和量子世界的結果相同的，但是下面就會有區別了。
一排原子發射光子
一排原子像一排手槍一樣，各自獨立發射光子，
探測的結果跟經典世界的區別如下：
一排原子發射光子的結果
這裡可以看到一排原子和一排槍的情況有所區別，
即一個探測器探測到一個光子，
另一個探測器在相同位置上探測到光子的幾率比其他地方探測到光子的幾率要高，
也就是說，小明與小剛在經典世界中打的賭，在量子世界中小明會贏。
也就是說，兩個完全獨立的光子竟然會知道彼此的信息，
兩個光子同時到達同一位置的幾率要高於兩個光子到達不同地方的幾率。
正式一些的解釋
為了形象解釋經典世界和量子世界的區別，
上面的解釋不夠嚴謹和正式，為了使這篇文章在專業人士的眼裡也有一點價值，
所以還要加上一些更為正式一些的解釋。
上面介紹的物理現象的專業名稱叫著熱光的雙光子聚束效應（Two-photon bunching of thermal light），
這個現象是1956年由一位物理學家和一位數學家合作發現的，
HBT雙光子聚束效應
他們的這個實驗奠定了現代量子光學的基礎，
是完全有資格獲得諾貝爾物理學獎的，
但是不知道什麼原因，並沒有獲得。
從理論上解釋他們實驗的一位哈佛教授在2005年獲得了諾貝爾物理學獎，
這也是光子提出100年時的諾貝爾物理學獎，
所以是非常有紀念意義的。
Glauber，2005年諾貝爾物理學獎
關於Glauber教授具體工作可能感興趣的不多，
但是關於他有一個趣聞感興趣的人可能更多，
即他一直負責高校諾貝爾獎最後掃地的教授之一，
是名副其實的掃地僧。
搞笑諾貝爾獎的掃地僧
這也跟金庸中的武功第一的少林掃地僧一樣，
表面看起來做著掃地這樣的事情，
但實際上的實力已經超過了在場的大多數。
掃地僧
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