從多元宇宙到黑洞，這是您了解宇宙怪異一面的備忘單。

1. 量子世界是崎嶇不平的

量子世界與鞋子有很多共同點。您不能只是去商店挑選與您的腳完全匹配的運動鞋。相反，您被迫在預定尺寸的對之間進行選擇。

亞原子世界也是類似的。阿爾伯特·愛因斯坦因證明能量是量子化的而獲得諾貝爾獎。正如你只能買到半號的鞋子一樣，能量也只能是相同“量子”的倍數——因此得名量子物理學。

這里的量子是普朗克常數，以量子物理學教父馬克斯·普朗克的名字命名。他試圖解決我們對太陽等熱物體的理解問題。我們最好的理論無法與它們所排出的能量的觀察相匹配。通過提出能量是量子化的，他能夠使理論與實驗完美一致。

2. 事物既可以是波也可以是粒子

JJ湯姆森因發(fā)現電子是粒子而獲得1906年諾貝爾獎。然而他的兒子喬治因證明電子是波而于 1937 年獲得諾貝爾獎。誰是對的？答案是他們兩個。這種所謂的波粒二象性是量子物理學的基石。它適用于光和電子。有時將光視為電磁波是值得的，但有時將其想象為稱為光子的粒子形式更有用。?

望遠鏡可以聚焦來自遙遠恒星的光波，也可以充當收集光子的巨大光桶。這也意味著當光子撞擊物體時，光可以施加壓力。B612 基金會主席拉斯蒂·施韋卡特 (Rusty Schweickart) 表示，我們已經用這種方法來推動帶有太陽帆的航天器，并且有可能利用它來操縱危險的小行星偏離與地球的碰撞路線。

3. 對象可以同時出現在兩個地方

波粒二象性是疊加的一個例子。也就是說，一個量子物體同時存在于多種狀態(tài)。例如，電子同時存在于“這里”和“那里”。只有當我們進行實驗來找出它在哪里時，它才會落入其中之一。?

這使得量子物理學全部與概率有關。我們只能在觀察后才能判斷一個對象最有可能處于哪種狀態(tài)。這些幾率被封裝成一個稱為波函數的數學實體。據說進行觀察會“崩潰”波函數，破壞疊加態(tài)并迫使物體進入其多種可能狀態(tài)中的一種。

這個想法是著名的薛定諤的貓思想實驗的背后。密封盒子里的貓的命運與量子設備息息相關。由于在進行測量之前該設備處于兩種狀態(tài)，因此在我們觀察之前，貓同時處于活著和死亡狀態(tài)。

4.它可能引導我們走向多元宇宙

觀察使波函數崩潰并迫使量子“選擇”的想法被稱為量子物理學的哥本哈根解釋。然而，這并不是唯一的選擇。“多個世界”解釋的擁護者認為根本不存在選擇。相反，在進行測量的那一刻，現實本身就分裂成了兩個副本：一個是我們體驗到結果 A 的副本，另一個是我們看到結果 B 展開的副本。它解決了需要觀察者來讓事情發(fā)生的棘手問題——狗算不算觀察者，還是機器人？

相反，就量子粒子而言，只有一個由許多糾纏層組成的非常奇怪的現實。當我們縮小到我們每天經歷的更大尺度時，這些層次就會解開進入多世界理論的世界。物理學家稱這個過程為退相干。

5.它幫助我們描述星星的特征

丹麥物理學家尼爾斯·玻爾向我們展示了原子內部電子的軌道也是量子化的。它們具有預定的大小，稱為能級。當電子從較高能級下降到較低能級時，它會噴出能量等于能隙大小的光子。同樣，電子可以吸收光粒子并利用其能量躍遷到更高的能級。

天文學家一直在利用這種效應。我們知道恒星是由什么組成的，因為當我們將它們的光分解成彩虹般的光譜時，我們會看到缺失的顏色。不同的化學元素具有不同的能級間距，因此我們可以根據不存在的精確顏色計算出太陽和其他恒星的成分。

6.沒有它，太陽就不會發(fā)光

太陽通過稱為核聚變的過程產生能量。它涉及兩個質子（原子中帶正電的粒子）粘在一起。然而，它們相同的電荷使它們相互排斥，就像磁鐵的兩個北極一樣。物理學家稱之為庫侖勢壘，它就像兩個質子之間的墻。?

將質子視為粒子，它們只是與墻壁碰撞并分開：沒有聚變，沒有陽光。然而，如果將它們視為波浪，那就是另一回事了。當波峰到達墻壁時，前緣已經穿過了。波的高度代表質子最有可能出現的位置。因此，盡管它不太可能出現在前沿所在的位置，但有時它確實存在。就好像質子已經突破了屏障，發(fā)生了聚變。物理學家將這種效應稱為“量子隧道效應”。

7.它可以阻止死亡恒星的塌縮

最終太陽的聚變將會停止，我們的恒星將會死亡。重力會獲勝，太陽會崩潰，但不會無限期地發(fā)生。它越小，擠在一起的材料就越多。最終，稱為泡利不相容原理的量子物理規(guī)則開始發(fā)揮作用。這表明某些種類的粒子（例如電子）被禁止存在于同一量子態(tài)中。當引力試圖做到這一點時，它遇到了天文學家稱之為簡并壓力的阻力。塌縮停止，一個新的地球大小的天體（稱為白矮星）形成。?

然而，墮落壓力只能產生如此大的阻力。如果一顆白矮星長大并達到 1.4 個太陽的質量，就會引發(fā)聚變波，將其炸成碎片。天文學家將這次爆炸稱為 Ia 型超新星，它的亮度足以讓整個星系黯然失色。

8.它導致黑洞蒸發(fā)

稱為海森堡不確定性原理的量子規(guī)則表明，不可能同時完全了解系統(tǒng)的兩個屬性。你對其中一個了解得越準確，對另一個的了解就越不準確。這適用于動量和位置，也分別適用于能量和時間。

這有點像貸款。您可以短期借入大量資金，也可以長期借入少量現金。這將我們引向虛粒子。如果從自然界“借”了足夠的能量，那么一對粒子就會短暫地出現，然后迅速消失，以免拖欠貸款。

史蒂芬·霍金想象這個過程發(fā)生在黑洞的邊界，其中一個粒子逃逸（作為霍金輻射），但另一個粒子被吞噬。隨著時間的推移，黑洞慢慢蒸發(fā)，因為它無法償還所借的全部金額。?

9.它解釋了宇宙的大尺度結構

我們關于宇宙起源的最佳理論是大爆炸。然而，它在 20 世紀 80 年代被修改，納入了另一種稱為通貨膨脹的理論。在第一個萬億分之一秒內，宇宙從小于原子膨脹到大約葡萄柚大小。這是 10^78 倍之多。將紅細胞膨脹相同的量將使其比當今整個可觀測宇宙還要大。

由于它最初比原子小，因此嬰兒宇宙將受到與海森堡不確定性原理相關的量子漲落的支配。在這些波動有機會消失之前，通貨膨脹導致宇宙迅速膨脹。這種現象將能量集中到了某些區(qū)域，而不是其他區(qū)域——天文學家認為，這些區(qū)域就像種子一樣，物質可以聚集在種子周圍，形成我們現在觀察到的星系團。

10. 這不僅僅是一點“詭異”

除了幫助證明光是量子的之外，愛因斯坦還支持另一種效應，他稱之為“幽靈般的遠距離作用”。今天我們知道這種“量子糾纏”是真實存在的，但我們仍然不完全了解到底發(fā)生了什么。假設我們將兩個粒子聚集在一起，使得它們的量子態(tài)不可避免地束縛或糾纏。一個處于狀態(tài) A，另一個處于狀態(tài) B。

泡利不相容原理指出，它們不能同時處于同一狀態(tài)。如果我們改變其中一個，另一個就會立即改變以進行補償。即使我們將宇宙兩側的兩個粒子分開，這種情況也會發(fā)生。就好像我們所做的改變的信息在它們之間傳播的速度超過了光速，愛因斯坦說這是不可能的。