量子力学到底在讲什么？
很多人只是听过量子力学的一些概念，还没有形成体系化的认知。碎片化的认知会造成误解 ，但是系统学习又缺乏基础。
如果，你想学习系统的量子力学，大概率会烧脑，大概比新冠还难受[偷笑]。这也是很多人看不懂量子力学的原因。
我将从整个量子力学建立的基础逻辑出发，系统串联量子力学的各种现象，最后到量子通讯的原理。十分适合非物理专业的朋友们系统地学习量子力学。
但说实话，量子力学很难兼顾通俗性和严谨性，过于通俗会失去严谨性，但过于严谨，就基本没人看得懂。所以，这边仅供大家理解参考，严谨的地方大家跳过[憨笑]，不严谨的地方也请大家批评指正。[奸笑]
一、上帝扔*子骰**
我们面对的世界，在尺度上分为宏观和微观。而宏观世界和微观世界的分界线就是原子。比原子大的世界，就是宏观世界；比原子小的就是微观世界。量子力学研究的就是微观世界的物理现象。
很多人都认为微观世界和宏观世界的物理规律应该是一样的，包括早期的物理学家。后来才发现，微观世界和宏观世界迥然不同。
微观世界起初让人类感到困惑的是，电子绕原子核运动的规律捉摸不透。参照天体运行的规律，科学家认为电子绕原子核运动，就是原子核给电子提供了引力和电磁力，引力和电磁力会成为电子绕原子核运动的向心力。所以，电子绕原子核应该是地球绕太阳一样的圆周运动。然而在观测中发现电子的轨道根本没有可以确定的轨迹，我们无法算出电子下一秒会出现在哪，电子出现的位置和前一秒的初始状态没有确定的线性关系，也就是说完全随机的。
但电子出现在原子核外的区域比较固定。比如观察100次电子运动，会出现如下分布。
因此可以用统计学描述电子出现在几个常见区域的概率。这就引申出上帝到底扔不扔*子骰**的问题。
在牛顿力学中，只要知道一个物质起始的速度、质量和受力情况，就能计算出这个物体在未来某一刻的具体位置，未来发生的一切事早已被起始状态设定好的。比如你的人生从宇宙诞生那一刻就已经被设定好了。这就是经典的机械决定论，也叫*命论宿**。
但是电子绕原子核的运动貌似是随机的，任何计算都无法精确得出电子下一秒的位置，所以电子的运动就否定了机械决定论，所有粒子的位置都是随机的，需要用概率描述，而我们人体又是由微观粒子构成，所以这就意味着，人的命运并不是被决定好的，人的意志是可以逆天改命的，所以有人才说上帝原来是扔*子骰**的。
二、量子到底是个啥，为什么我们不用“粒子”这个词呢？
首先我们思考，能量是怎么传递的。把一杯热水放凉，是因为热水把自身能量传递给了周围的空气分子。热水运动比较剧烈，而空气分子运动比较柔和，当热水分子撞击到空气分子，就会把动能传递给空气分子，进而导致运动程度降低。所以，热水才会变凉，这就是能量传递的过程。能量的传递过程是依靠物质之间的相互作用，比如分子之间的碰撞。它的温度降低的过程是连续变化的，比如从90度到20度，中间可以是75.6度，也可能是75.545度。
但在微观世界，能量的传递并不是连续的，而是间断的。能量的传递是依靠物质交换，而在微观世界中，物质都是最基本粒子，不可再分割。例如光子只能是一个一个的，没有二分之一、三分之一个光子，所以一个光子携带的能量就是微观世界中能量传递的最小单位。
在经典物理学中，对体系物理量变化的最小值没有限制，它们可以任意连续变化。但在量子力学中，物理量只能以确定的大小一份一份地进行变化，具体有多大要随体系所处的状态而定。这种物理量只能采取某些分离数值的特征叫作量子化。量子化在微观世界十分普遍，是微观粒子的基本现象。
三、量子力学的不确定性
我们直观地以为，量子是一个实心的小球，其实本质上更像是一种波。如果要彻底搞懂量子力学，首先要默认所有的粒子都是波，
微观粒子都是以波的形式出现的，从而弥漫整个宇宙空间，虽然波的空间尺度是无限远的，但是波的能量往往会聚集到某个固定的空间尺度上，从而形成波包。
波包越聚集，越像粒子，这也是波粒二象性的体现。
波粒二象性造成了不确定性原理。
现在我们将微观粒子想象成一个具有波动性的波包，
这个波包越分散越像一种波
越聚集越像粒子
波包有两个显著的物理量，一个是位置，一个是动量。你可以将波包的位置理解成宽度，动量理解成能量。如果我们要测量这个波包的位置，那么就需要用光子撞击波包。
通过光子探测到的信息可以确定波包的位置。
但你会发现这样得到的波包位置范围比较广，如果想要得到更加精确的位置，你就必须提高光子的能量去撞击波包，导致波包吸收能量后更加聚集，所以宽度就越窄，更像是一个粒子，位置也能测的越精确；
这时候位置是测的精确了，但是波包因为吸收了光子的能量，导致动量增加，所以波包的动量就和起始的动量相差甚远，所以你测量到的动量信息就越不精确。
如果你要精确测量波包的动量，就得降低光子的能量，这样一来波包的宽度就比较大了，所以位置就测量的越不准确。
对于这个现象，海森堡就认为粒子的位置和动量信息不能同时精确测量。位置测的越精确，动量就越不准确，并且认为这主要是由于测量仪器发射的粒子造成的。
但是当代的量子理论认为，海森堡的这种解释并不是十分正确。测量仪器固然会对被测量的对象造成干扰，但是这不是主要原因，主要原因是粒子的本质就是波包，测量波包的精确位置，就相当于测量绳摆产生的波动位置，这是毫无意义的，因为波就不可能存在完美的位置，测量动量也是这个道理，粒子不存在完美的动量。
所以，现代物理学认为测不准原理的本质并不是实验仪器造成的，而是微观粒子的内禀属性，用测不准原理这一物理名词会误导大众，让人误以为是人类科技手段有限造成的测不准，如今测不准原理早已被改成不确定性原理的叫法。
四、量子叠加，既死又活的猫
微观粒子还有一个十分普遍的特性，那就是态叠加原理，就是我们常说的量子叠加。比如电子的自旋既是上旋又同时是下旋。
这种匪夷所思的现象也令薛定谔困惑，为了通俗的解释量子叠加，所以就将其拓展到宏观事件，也就是那只既死又活的猫。
薛定谔的猫
其实只要你将微观粒子想象成波，那就很容易理解量子叠加。这条波弥漫整个宇宙空间，但并不是均匀分布的，波上有个波包，波包在哪儿，我们就说这个粒子在哪儿。
理论上这个波包可以出现在这条波上的任何位置上，而波又弥漫整个空间，所以我们才说粒子可以出现在空间上的任何一个位置。
测量之所以会导致量子叠加态消失，是因为测量仪器肯定需要发射某些粒子探测被测量的粒子，被测量粒子原先的叠加态就会因为这些粒子的干扰而消失，这就是测量坍塌效应。
只要我们不去测量这个波包，那么波包本身就和这条波是一个整体，所以这个波包在空间的位置就是叠加在一起的。所以粒子既在这儿，又同时在那儿，可以同时处于多个位置，这就是叠加态的体现。
你要是从这种角度去理解量子纠缠就是很容易了。两个纠缠粒子其实是同一条波，只不过测量行为会导致这条波坍塌出两个波包，这两个波包在没有测量之前本来就是共同叠加态，测量就会导致叠加态消失，变成两个确定的波包。
量子纠缠
测量行为导致波坍塌出两个波包，表现为两个粒子
但是作为观察者的我们来说，好像这两个粒子可以无视空间而同时作用，这就是量子纠缠的超光速现象。
量子无视空间，相互作用
其实本质来说纠缠粒子之间本来就是同一个粒子，所以对一个粒子的测量其实也就是对另一个粒子的测量，所以量子纠缠必然是同时发生的。
但量子纠缠这种现象并不存在什么实体上的物质运动，所以就不能传递信息和能量。
那为什么我们宏观世界的物体不存在量子叠加现象呢？
其实观测者的行为是可以影响这个体系的演化的。因为在我们日常生活当中，宇宙当总是会有一双眼睛、一台仪器啊，飞机飞行的时候，你睡着了，飞行员是醒着的；万一飞行员打的瞌睡，地面的雷达还是在测量的，也就是在宇宙当中总有某一台仪器或者某一个东西可以告诉你，这个飞机是沿着哪条航线过来的，我们周围的氧分子、水分子，尽管有灯光照射，其实在大多数时候与光是没有相互作用的，也就是说这些水分子是逃脱我们的监控的，我们没办法告诉你，它到底是处于什么地方，这个时候是可以处于量子叠加。这就是为什么我们宏观世界是没有这种现象，在微观世界，这种现象是比比皆是。
其实这个宇宙的规律本来就是没有什么宏观和微观世界之分，本质都是用微观事件的现象主导的，量子叠加才是宇宙中最普遍且最正常的现象。
我们之所以无法理解量子叠加，是因为我们生活在叠加态已经坍塌过的宏观世界。基于宏观世界归纳出了牛顿力学是先入为主的，所以我们才认为非叠加态才是正常的，叠加态反而不正常。
宏观世界的叠加态消失，只是因为宏观物质比较大，树大招风，几乎都会遭受到各种干扰，比如宇宙中无处不在的光子会撞击宏观物质，这种干扰的本质就相当于测量坍塌效应，导致宏观世界的叠加态都坍塌掉了，而呈现出确定的状态。最直接的证明就是空气分子的叠加态和分子尺度上的量子纠缠。
这就证明即便比原子还大的很多物质，只要不被其他粒子干扰，依旧会出现叠加现象。但在现实中，比分子再大一点的物质，就必然会遭受到其他粒子的干扰。所以分子尺度以上的物质叠加态就会因为被干扰全部消失掉。
五、电子通信
现在我们知道一个光子就是一个包，这个包的很多性质都是叠加态的，如果你要复制这个光子的状态，就得把这个光子一分为二，但是光子是量子，是不可再分的，所以这个方法是被堵死的。
第二个方法就是测量这个光子的信息，然后根据这些信息重新还原一个相同的光子。但问题是由于测量坍塌效应，一旦测量就会造成光子原来的叠加态消失，所以你永远无法得到这个光子原来的叠加状态，这就是单个光子无法克隆的性质。
传统的电磁波通信是发射频率高低不同的大量光子，光子频率的高低代表的是0和1，所以*听窃**者可以在光子传递的过程中偷走小部分的光子，通过这些光子的频率高低就可以解读出通信的内容。
而量子通信是利用单光子不可克隆原理进行量子密钥分发，理论上可以做到信息的绝对安全。*听窃**者想要*听窃**电磁波通信，要么就偷走光子，要么测量光子，而单个光子一旦被偷走，那直接就被发现了，这样就证明传递信息的过程已经被*听窃**，那干脆就不发信息了。
如果*听窃**者不偷光子，只是*听窃**就会引发测量坍塌效应也会被发现，只要量子通信被窃天就一定会被发现。所以通信双方就会放弃此次通信。
那要是一直*听窃**，会不会造成通信持续冲断呢？目前来说是这样的，其实信息被确定并不可怕，可怕的是被*听窃**了还被获取了内容，量子通信最大的贡献就是得知通信过程是否被*听窃**，而不是阻止*听窃**行为。虽然*听窃**者可以通过持续*听窃**行为阻断信息的发送，但是我们可以换其他的信道传输，即便其他信道也被持续*听窃**导致信息中断，那我们还有物理手段对付*听窃**者。
写到这，相信很多人都懵了。如果感兴趣的话，可以点赞、评论、转发、收藏[灵光一闪][酷][打脸][奋斗][哈欠][加油][送心][看]