7、量子力学基础：态测量、自旋与光偏振

量子力学基础：态测量、自旋与光偏振

1. 量子态的测量

量子态的测量是量子力学中的关键概念。在薛定谔的猫思想实验中，我们简单提及了量子态的测量以及叠加态在被观测时概率性坍缩的概念。观测者可以是像我们这样有意识的实验者，也可以是环境本身。

量子态非常脆弱，只有在良好隔离和接近绝对零度（0K，即 -459°F）的亚开尔文温度下才能保持叠加态。这是因为在有限温度下存在热效应，当温度足够高（如室温）时，叠加态可能会坍缩，例如超导量子比特。此外，耗散也是我们在宏观经验中难以遇到量子行为的原因之一。不过，当温度足够低（与量子比特能量相比）且消除耗散时，在毫米尺度上可以观察到量子行为。

量子物体具有能量量子化的特性，这存在于以埃（Å，约为 10⁻¹⁰ 米）为单位的原子和亚原子距离尺度上。能量量子化意味着量子物体只能具有特定的能量，在两个能量之间不存在其他能量（只有当温度小于量子化能量时才能观测到）。而宏观物体由大量原子结合在一起，其能谱变得极其密集，看起来几乎是连续的。

在测量量子态时，关键是要理解测量基或计算基以及投影测量的工作原理。

2. 磁场中的自旋

2.1 自旋的发现

斯特恩 - 盖拉赫实验是展示测量基选择如何影响量子系统测量的重要物理实例。该实验揭示了原子和亚原子粒子（如电子、质子和中子）除了电荷和质量等固有属性外，还存在另一种固有属性——自旋。自旋很难用经典物理学直接类比来解释，但它确实存在。

在玻尔的原子模型中，原子中心有一个致密的原子核，电子在特定轨道上绕核运动，对应着原子的能级。由于电子是运动的带电粒子，会在“轨道”周围感应出电流，从而产生磁场。然而，这种“行星模型”并