在原子和电子的层面上，量子物理学描述了最小物体的行为。太阳能电池板、LED灯、你的手机和医院里的核磁共振扫描仪:所有这些都依赖于量子行为。它是最经得起检验的物理理论之一，我们一直在使用它。

　　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“同时出现在两个地方”;它们可以穿越障碍;无论他们相距多远，都能分享一种联系。与你所期望的网球相比，它们的性质当然是奇怪的，违反直觉的。

　　但不要让这个吓到你!如果你不再把原子和电子想象成微小的网球，而是把任何“量子物体”想象成你用手在水中推出的波浪，那么量子物理学的许多奇怪行为就不会那么令人惊讶了。你可以说，在小尺度上，一切都是由波构成的。

　　本着揭开量子行为神秘面纱的精神，这里有三种关键类型的“奇怪”量子现象，正常的水波也可以做到这一点，这也是量子世界与众不同的一件事。

　　想象一下扔网球。如果我们愿意，我们可以跟踪球在整个飞行过程中的准确位置和速度。奇怪的是，如果我们把球缩小到一个原子的大小，这种跟踪就变得不可能了。

　　这个限制被称为海森堡的测不准原理。在量子物理学中，不可能同时知道一个物体的精确位置和动量(速度乘以质量)。一个网球的动量就是它的质量乘以它的速度，但是对于波，我们通过测量连续波峰之间的距离来确定动量，这个因素被称为波长。

　　然而，波是变幻无常的，因此不可能100%精确地确定它们的位置和波长。实际上，任何波，无论是水波还是量子波，都会覆盖一定范围的位置，并由一定范围的波长组成。对其中一个范围的限制越多，对另一个范围的控制就越少。

　　考虑两种极端类型的水波:第一种是由风在无止尽的运河上形成的有规则间隔的无限重复的涟漪。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。但是你不能说波浪在运河中的“位置”，因为它没有起点或终点。相反，在一个平静的池塘里，一个由单一的薄波峰组成的波，你可以测量它的位置，但它没有一个明确的波长，因为它从不重复。

　　实际上，所有的波都位于这两个极限之间。量子波也不例外。

　　通过所谓的状态叠加，一个量子物体可以“同时出现在两个地方”。想想波浪，这并不奇怪。一个波可以同时出现在两个地方。如果你将一个波发送到一个分叉的通道，它将很容易分裂并同时通过两个通道。

　　一个相关的量子概念是纠缠，它将两个波中的叠加结合在一起。例如，在放置的沙拉酱中，油会浮在醋的上面。小心地在油中制造波浪，也会在醋中引起波浪，在它们的界面上看起来像涟漪。测量油波的波长也能告诉我们醋波的波长。换句话说，这两种波是相连的，它们的性质相互依赖。

　　将分开的沙拉酱倒入分叉的通道中，这仍然是正确的，因此混合的油醋波纹同时沿着两个通道移动。只要测量一个通道中油波的波长，就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，你会说两个通道中的波彼此“纠缠”在一起。量子技术利用纠缠来创造牢不可破的加密或加快计算速度。在做沙拉的时候，把调味汁摇到油醋汁里可能会更有用。

　　量子物体的另一个看似奇特的壮举是，它们有一定的概率可以穿过障碍。这被称为隧道掘进。把网球扔向一堵墙，(只要墙没有倒下)网球就会反弹回来。对一个原子这样做，你可能会发现它在另一边。

　　在某些情况下，水波可以像量子粒子一样穿过屏障，你可以在浴缸里演示一下。要做到这一点，在浴缸里建一堵水下墙，足够高，几乎接触到水面，但又不完全接触到水面。如果你以一个斜角向这面墙发射一个波，它总是会从墙上反弹回来。这类似于所谓的光线的全内反射。它只取决于屏障的高度和波接近墙的角度。

　　虽然波不能越过屏障，但它的一个小尾巴可以探测到另一边。如果墙壁足够薄，你会看到尾巴回忆起它最初的运动，并神奇地以行波的形式重新出现。瞧，你的水波打穿了一堵墙!同样的“破碎”全内反射现象，但用的是光线而不是水波，也用于某些类型的触摸屏显示器。

　　虽然大多数奇怪的量子行为都是通过把小粒子想象成波而不是微小的球来解开的，但当你测量一个量子物体时，真正的量子怪异就会出现。无论它是一个波穿过两个不同的通道，还是一个穿过屏障的隧道，测量量子波的结果是整个波突然出现在一个位置:在一个通道而不是另一个，或者在屏障的一边而不是另一边。这种情况不会发生在沙拉酱上。

　　有趣的是，描述量子波的数学方程并不能解释我们测量它们时发生了什么。物理学家尚未就如何最好地描述或解释这一过程达成一致。量子测量是将量子行为与水波区分开来的一件事，真正使量子物理学变得奇怪。

　　为了理解量子测量有多不寻常，想象一下有人在对一群人讲话。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，但一旦人群中有一个人感知到(或测量到)它，整个声波就会集中在那个人的耳朵里，其他人就听不到它了。

　　这很奇怪。

　　这是一篇观点和分析文章，作者或作者所表达的观点不一定是科学美国人的观点。