大贝尔实验,但你真的理解它吗

你很可能已经见过了那张著名的照片 - 有史以来平均智商最高的合影。

在最近一些年,量子信息的研究得到了很多发展。量子信息指利用量子力学的基本原理进行信息处理,包括量子通信、量子计算,等等。量子通信又包括量子密码、量子隐形传态,等等。量子隐形传态和量子计算都基于量子纠缠。而量子纠缠是量子力学中的一个基本概念。为了了解量子信息,我们需要先了解量子力学。

进入地铁、火车站和机场的时候,安全员都会对人和行李进行安全检查。大多数人的经验是,行李要放在包裹安检仪的传送带上,被X射线照一下,旅客要经过一个能探测金属物体的门,再让安全员“摸”一遍。

图片 11927年的索尔维物理学会议的会后合影。图片来源:wikimedia.org

图片 2听到“量子力学”这四个字就想跑?别跑,科学人带你慢慢梳理。图片来源:strangenotions.com

可是近日有消息称,成都双流机场使用了一种“弱光子人体安检仪”,不但行李要被“照相”,就连人也要被“照相”了。大家不禁担心起来:“弱光子”照在我们身上,会损害健康吗?

爱因斯坦,玻尔,居里夫人,普朗克,布拉格,郎之万,波恩,德布罗意,海森堡,泡利,狄拉克,薛定谔,洛伦兹……这其中任何一个人都足以名垂青史,而1927年的索尔维物理学会议,因为这张会后合影也成为了天才最密集的会议之一。

经典物理中的几率

为了解释什么是量子力学,我们先从经典物理说起。

经典物理包括以牛顿三大定律为核心的牛顿力学(或称经典力学),以及以麦克斯韦方程组为核心的经典电动力学(或称电磁学)。 对于速度接近光速,以及强引力场情况,还要考虑狭义及广义相对论,但是相对于量子力学而言,它们仍然属于经典物理的范畴。

在经典物理中,每个物理量,比如位置、动量、角动量、电场强度、电流,等等,在每个时刻都有明确的取值,都是一个客观实在。而它们随时间变化的情况就是动力学,由牛顿力学及经典电动力学的基本定律决定。只要知道某个时刻的物理量的值,就可以从动力学得到其它任意时刻的取值。 因此本质上经典物理是决定论的。

经典物理里也有几率,或称概率,但这是一种粗粒化描述。在我们不了解或者无法控制细节时,考虑各种可能性,从而得到一个几率分布。比如掷骰子。

骰子的运动其实是一个决定论的过程,没有本质上的随机性。如果了解它的力学细节,比如质量分布、初始位置、方位、速度、整个下落过程中的受力情况等等,其实是可以预言最后哪一面朝上的。当然,在实际中一般做不到这一点。而如果对于各种细节情况作个平均,我们就可以预言:“如果投掷N次,其中每一面朝上的次数大约N/6次”。也就是说,每一面朝上的几率大概是1/6。

不过我们也经常有这样的情况:即细节描述不但不可能,而且没有必要,而几率描述更抓住问题的本质。

比如一团气体在给定温度下,各种微观状态有一个几率分布,由此可以得到给定温度下的宏观性质,比如平均总能量、压强等等。这就是统计物理。

基于经典力学的经典统计物理中的几率抓住了问题的本质,但这种几率和骰子类似,不是实质性的,也就是说,微观细节仍然是服从经典物理的决定论过程。

那么,什么样的几率是实质性的,也就是说背后没有决定论的过程?答案就是量子力学中的几率。

“弱光子”就是X射线

“弱光子人体安检仪”,实际上是一种X射线成像装置。它的原理是将一定量的X射线照在人体上,通过形成的影像检查是否存在违禁物品。“弱光子”并不是X射线的专业术语,应该是生产商独创的。

X射线是一种电离辐射。当人体受到电离辐射的照射时,会有一定概率导致分子电离、化学键断裂、DNA损伤,进而引发人体的生理反应(如损伤修复或细胞死亡)。

这样的生理反应每时每刻都在发生,因为我们的生活环境中本来就存在一定强度的电离辐射,叫做本底辐射。本底辐射似乎并未对我们的身体造成什么明确的影响,是因为两个原因。其一,本底辐射的剂量很小,低于一定阈值,因此不会产生电离辐射的确定性效应(如组织损伤)。其二,除了本底辐射之外,我们生活中还会接触各种致癌致畸因素,例如香烟、酒精和空气污染等等。在剂量很低的时候,我们没法分辨一个有害的结果究竟是哪一次跟哪个因素的接触起了作用。因此,尽管从受精卵形成开始,我们就沐浴在本底辐射的狂轰乱炸中,却一直没有感觉到它的存在。

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