从多元宇宙到黑洞，这是您了解宇宙怪异一面的备忘单。

1. 量子世界是崎岖不平的

量子世界与鞋子有很多共同点。您不能只是去商店挑选与您的脚完全匹配的运动鞋。相反，您被迫在预定尺寸的对之间进行选择。

亚原子世界也是类似的。阿尔伯特·爱因斯坦因证明能量是量子化的而获得诺贝尔奖。正如你只能买到半号的鞋子一样，能量也只能是相同“量子”的倍数——因此得名量子物理学。

这里的量子是普朗克常数，以量子物理学教父马克斯·普朗克的名字命名。他试图解决我们对太阳等热物体的理解问题。我们最好的理论无法与它们所排出的能量的观察相匹配。通过提出能量是量子化的，他能够使理论与实验完美一致。

2. 事物既可以是波也可以是粒子

JJ汤姆森因发现电子是粒子而获得1906年诺贝尔奖。然而他的儿子乔治因证明电子是波而于 1937 年获得诺贝尔奖。谁是对的？答案是他们两个。这种所谓的波粒二象性是量子物理学的基石。它适用于光和电子。有时将光视为电磁波是值得的，但有时将其想象为称为光子的粒子形式更有用。 

望远镜可以聚焦来自遥远恒星的光波，也可以充当收集光子的巨大光桶。这也意味着当光子撞击物体时，光可以施加压力。B612 基金会主席拉斯蒂·施韦卡特 (Rusty Schweickart) 表示，我们已经用这种方法来推动带有太阳帆的航天器，并且有可能利用它来操纵危险的小行星偏离与地球的碰撞路线。

3. 对象可以同时出现在两个地方

波粒二象性是叠加的一个例子。也就是说，一个量子物体同时存在于多种状态。例如，电子同时存在于“这里”和“那里”。只有当我们进行实验来找出它在哪里时，它才会落入其中之一。 

这使得量子物理学全部与概率有关。我们只能在观察后才能判断一个对象最有可能处于哪种状态。这些几率被封装成一个称为波函数的数学实体。据说进行观察会“崩溃”波函数，破坏叠加态并迫使物体进入其多种可能状态中的一种。

这个想法是著名的薛定谔的猫思想实验的背后。密封盒子里的猫的命运与量子设备息息相关。由于在进行测量之前该设备处于两种状态，因此在我们观察之前，猫同时处于活着和死亡状态。

4.它可能引导我们走向多元宇宙

观察使波函数崩溃并迫使量子“选择”的想法被称为量子物理学的哥本哈根解释。然而，这并不是唯一的选择。“多个世界”解释的拥护者认为根本不存在选择。相反，在进行测量的那一刻，现实本身就分裂成了两个副本：一个是我们体验到结果 A 的副本，另一个是我们看到结果 B 展开的副本。它解决了需要观察者来让事情发生的棘手问题——狗算不算观察者，还是机器人？

相反，就量子粒子而言，只有一个由许多纠缠层组成的非常奇怪的现实。当我们缩小到我们每天经历的更大尺度时，这些层次就会解开进入多世界理论的世界。物理学家称这个过程为退相干。

5.它帮助我们描述星星的特征

丹麦物理学家尼尔斯·玻尔向我们展示了原子内部电子的轨道也是量子化的。它们具有预定的大小，称为能级。当电子从较高能级下降到较低能级时，它会喷出能量等于能隙大小的光子。同样，电子可以吸收光粒子并利用其能量跃迁到更高的能级。

天文学家一直在利用这种效应。我们知道恒星是由什么组成的，因为当我们将它们的光分解成彩虹般的光谱时，我们会看到缺失的颜色。不同的化学元素具有不同的能级间距，因此我们可以根据不存在的精确颜色计算出太阳和其他恒星的成分。

6.没有它，太阳就不会发光

太阳通过称为核聚变的过程产生能量。它涉及两个质子（原子中带正电的粒子）粘在一起。然而，它们相同的电荷使它们相互排斥，就像磁铁的两个北极一样。物理学家称之为库仑势垒，它就像两个质子之间的墙。 

将质子视为粒子，它们只是与墙壁碰撞并分开：没有聚变，没有阳光。然而，如果将它们视为波浪，那就是另一回事了。当波峰到达墙壁时，前缘已经穿过了。波的高度代表质子最有可能出现的位置。因此，尽管它不太可能出现在前沿所在的位置，但有时它确实存在。就好像质子已经突破了屏障，发生了聚变。物理学家将这种效应称为“量子隧道效应”。

7.它可以阻止死亡恒星的塌缩

最终太阳的聚变将会停止，我们的恒星将会死亡。重力会获胜，太阳会崩溃，但不会无限期地发生。它越小，挤在一起的材料就越多。最终，称为泡利不相容原理的量子物理规则开始发挥作用。这表明某些种类的粒子（例如电子）被禁止存在于同一量子态中。当引力试图做到这一点时，它遇到了天文学家称之为简并压力的阻力。塌缩停止，一个新的地球大小的天体（称为白矮星）形成。 

然而，堕落压力只能产生如此大的阻力。如果一颗白矮星长大并达到 1.4 个太阳的质量，就会引发聚变波，将其炸成碎片。天文学家将这次爆炸称为 Ia 型超新星，它的亮度足以让整个星系黯然失色。

8.它导致黑洞蒸发

称为海森堡不确定性原理的量子规则表明，不可能同时完全了解系统的两个属性。你对其中一个了解得越准确，对另一个的了解就越不准确。这适用于动量和位置，也分别适用于能量和时间。

这有点像贷款。您可以短期借入大量资金，也可以长期借入少量现金。这将我们引向虚粒子。如果从自然界“借”了足够的能量，那么一对粒子就会短暂地出现，然后迅速消失，以免拖欠贷款。

史蒂芬·霍金想象这个过程发生在黑洞的边界，其中一个粒子逃逸（作为霍金辐射），但另一个粒子被吞噬。随着时间的推移，黑洞慢慢蒸发，因为它无法偿还所借的全部金额。 

9.它解释了宇宙的大尺度结构

我们关于宇宙起源的最佳理论是大爆炸。然而，它在 20 世纪 80 年代被修改，纳入了另一种称为通货膨胀的理论。在第一个万亿分之一秒内，宇宙从小于原子膨胀到大约葡萄柚大小。这是 10^78 倍之多。将红细胞膨胀相同的量将使其比当今整个可观测宇宙还要大。

由于它最初比原子小，因此婴儿宇宙将受到与海森堡不确定性原理相关的量子涨落的支配。在这些波动有机会消失之前，通货膨胀导致宇宙迅速膨胀。这种现象将能量集中到了某些区域，而不是其他区域——天文学家认为，这些区域就像种子一样，物质可以聚集在种子周围，形成我们现在观察到的星系团。

10. 这不仅仅是一点“诡异”

除了帮助证明光是量子的之外，爱因斯坦还支持另一种效应，他称之为“幽灵般的远距离作用”。今天我们知道这种“量子纠缠”是真实存在的，但我们仍然不完全了解到底发生了什么。假设我们将两个粒子聚集在一起，使得它们的量子态不可避免地束缚或纠缠。一个处于状态 A，另一个处于状态 B。

泡利不相容原理指出，它们不能同时处于同一状态。如果我们改变其中一个，另一个就会立即改变以进行补偿。即使我们将宇宙两侧的两个粒子分开，这种情况也会发生。就好像我们所做的改变的信息在它们之间传播的速度超过了光速，爱因斯坦说这是不可能的。