在原子和电子的层面上，量子物理学描述了极小物体的行为。太阳能电池板、LED灯、你的手机和医院的MRI扫描仪：所有这些都依赖于量子行为。它是物理学中经过最佳验证的理论之一，我们一直都在使用它。
然而，从表面上看，量子领域是非同寻常的：在其中，量子物体可以“同时处于两个地方”；它们可以穿过屏障；并共享一种无论相距多远都存在的连接。与你对网球等物体的期望相比，它们的属性当然是奇怪且违反直觉的。
但不要因此而被吓倒！如果你停止将原子和电子视为微小的网球，而是将任何“量子物体”想象成你用手在水中推动而产生的水波，那么量子物理学的许多奇怪行为就会变得不那么令人惊讶了。你可以说，在小尺度上，一切都是由波组成的。
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本着揭秘量子行为的精神，以下是正常水波也能很好地完成的三种关键类型的“奇怪”量子现象，以及使量子世界与众不同的唯一之处。
不奇怪：海森堡不确定性原理
想象一下扔一个网球。如果我们愿意，我们可以追踪网球在整个飞行过程中的确切位置和速度。奇怪的是，如果我们将球缩小到原子大小，这种追踪就变得不可能了。
这种限制被称为海森堡不确定性原理。在量子物理学中，不可能同时知道物体的精确位置和动量（速度乘以质量）。网球的动量只是其质量乘以其速度，但对于波浪，我们通过测量连续波峰之间的距离来确定动量，这个因素称为波长。
然而，波浪是变幻莫测的，因此不可能100%精确地确定它们的位置和波长。在实践中，任何波，无论是水波还是量子波，都将始终覆盖一系列位置，并由一系列波长组成。你越限制其中一个范围，你就越无法控制另一个范围。
考虑两种极端类型的水波：第一种是由风在无限长的运河上产生的规则间隔波纹的无限重复波。在那里，你可以通过识别波峰和波谷的重复模式来测量波长。但是你无法说明波在运河中的“位置”，因为它没有起点或终点。相反，对于由平静池塘中单个细波峰组成的波浪，你可以测量其位置，但它没有明确的波长，因为它永远不会重复。
在实践中，所有波浪都介于这两个极限之间。量子波浪也没有什么不同。
不奇怪：叠加和纠缠
量子物体可以通过处于所谓的叠加态来“同时处于两个地方”。考虑到波浪，这并不奇怪。波浪可以同时处于两个地方。如果你将波浪发送到分叉的通道中，它将很容易分裂并同时流过两个通道。
相关的量子概念是纠缠，它将两个波浪中的叠加结合在一起。例如，在静置的沙拉酱中，油会漂浮在醋的上方。然后，小心地在油中产生波浪也会在醋中引起波浪，这看起来像是它们界面中的波纹。测量油波的波长也告诉我们醋波的波长。换句话说：这两个波浪是链接的，它们的属性相互依赖。
将分离的沙拉酱倒入分叉的通道中，这种情况仍然成立，因此混合的油醋波纹同时向下移动两个通道。测量一个通道中油波的波长，你可以立即知道两个通道中的所有波长，即使它们相距很远。如果沙拉酱是量子的，你就可以说两个通道中的波浪彼此“纠缠”。量子技术使用纠缠来创建牢不可破的加密或加速计算。对于你的沙拉来说，通过将沙拉酱摇匀成油醋汁来打破纠缠可能更有用。
不奇怪：隧道效应
量子物体的另一个看似奇特的壮举是，它们有可能穿过屏障。这被称为隧道效应。将网球扔向墙壁（只要墙壁保持站立），它就会弹回。用原子这样做，你可能会在另一边找到它。
在某些情况下，水波可以像量子粒子一样穿过屏障，你可以在你的浴缸中演示这一点。为此，在浴缸中建造一个水下墙壁，这个墙壁足够高，几乎接触到水面，但又没有完全接触到。如果你以倾斜的角度向这堵墙发送波浪，它将始终从墙壁上弹回。这类似于所谓的光的全内反射。这仅取决于屏障的高度和波浪接近墙壁的角度。
虽然波浪无法越过屏障传播，但它的一小部分尾部可以探测到另一侧。如果墙壁足够薄，你将看到尾部记住其原始运动并神奇地重新出现为行波。瞧，你的水波已经穿过墙壁隧道！“破碎”的全内反射的相同现象，但使用光线而不是水波，用于某些类型的触摸屏显示器。
非常奇怪：量子测量
虽然大多数奇怪的量子行为都可以通过将小粒子视为波浪而不是微小的球体来揭秘，但真正的量子怪异之处在于你测量量子物体时。无论是通过两个不同通道传播的波浪，还是通过屏障隧道效应的波浪，测量量子波浪都会导致整个波浪突然出现在单个位置：在一个通道中而不是另一个通道中，或者在屏障的一侧而不是另一侧。沙拉酱不会发生这种情况。
有趣的是，描述量子波浪的数学方程式并没有解释当我们测量它们时会发生什么。物理学家们尚未就如何最好地描述或解释这个过程达成一致意见。量子测量是将量子行为与水波区分开来的唯一事物，真正使量子物理学变得奇怪。
为了理解量子测量有多么不寻常，想象一下有人对着一群人讲话。声波在人群中传播开来，每个人都听到了演讲。然而，在量子世界中，声波会像预期的那样传播开来，但是一旦人群中的一个人感知（或测量）到它，整个声波就会集中在该人的耳朵里，而其他人则听不到它。
现在这很奇怪。
这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。