量子物理学的四个常见误解：薛定谔的猫、无人理解量子力学……

选自phys.org

作者：Alessandro Fedrizzi等

机器之心编译编辑：王楷

对于这几个误解，你了解过吗？

量子力学，是主宰原子和粒子微观世界的理论，自有其独有的魅力和特点。与诸多其他物理学领域不同，它奇妙万分且又悖于直觉，令人惊叹、引人入胜。2022 年诺贝尔物理学奖被授予 Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger 三人，表彰他们在量子力学研究领域所做的贡献，这引起了难抑的兴奋和众多的讨论。

然而，无论是在聊天论坛、媒体还是科幻小说中，由于存在着许多长久流传的神话故事和错误认识，基于量子力学的讨论往往会变得混乱。本文列举出了四个关于量子物理学的四个常见误解。

1. 一只既死又活的猫

埃尔温・薛定谔（Erwin Schrödinger ）可能永远也无法预测到他的思想实验 —— 薛定谔的猫，会在 21 世纪的互联网上爆红。

该实验指出，当一只不幸的猫科动物被困在一个盒子里，且盒子里有一个由随机量子事件（例如放射性衰变）触发的杀戮开关，那么只要我们不打开盒子去查看，那其中的猫可能会同时处在一个又死又活的状态。

我们早已知道量子粒子可以同时处于两种状态中，例如能同时存在于两个地方。我们称之为叠加。

科学家们已经能够在著名的双缝实验中证明这一点，其中单个量子粒子，例如光子或电子，可以同时穿过墙壁上的两个不同的小缝。这我们如何知道的呢？

在量子物理学中，每个粒子的状态也是一个波。但是，当我们通过狭缝一个接一个地发送光子流时，它会在狭缝后面的投影屏幕上产生两条波形相互干涉的图案。由于每个光子在穿过狭缝时没有任何其他光子可以干涉，这意味着它必须同时穿过两个狭缝 —— 产生自身干涉。

然而，为了实现这一点，穿过两个狭缝的粒子叠加中的状态（波）需要是「连贯的」—— 即彼此之间具有明确的关系。

这些叠加实验可以通过尺寸和复杂性不断增加的物体来进行。Anton Zeilinger 在 1999 年的一项著名实验中就以被称为「巴基球」的碳 60 大分子展示证明了量子叠加。

那么这对于我们所指的那只可怜的猫意味着什么呢？真的是只要我们不打开盒子，它就能既生又死？显然，猫与可控实验室环境中的单个光子完全不同，它更大更复杂。构成猫的数以万亿计的原子彼此之间可能存在的任何干涉都是极其短暂的。

但这并不意味着量子干涉在生物系统中不会存在，只是它通常不适用于猫或人类等大型生物。

2. 简单类比可以解释量子纠缠

纠缠是一种量子特性，它可以连接两个不同的粒子，因此无论二者相距多远，只要测量其中一个粒子，你会瞬间自然而然知道另一个粒子的状态。

对它的常见解释通常会涉及我们传统宏观世界中的日常物品，例如骰子、卡片，甚至是一双颜色奇怪的袜子。举例来说，假设你告诉朋友你在一个信封中放了一张蓝色卡片，在另一个信封中放了一张橙色卡片。如果你的朋友拿走打开了其中一个信封并发现了蓝色卡片，他们就会知道另一个信封中有橙色卡片。

但是要想理解量子力学，你必须想象信封内的两张卡片处于联合叠加状态，这意味着它们同时都是橙色和蓝色（确切来说就是橙色 / 蓝色和蓝色 / 橙色）。打开一个信封会随机显示确定的一种颜色，但打开第二张牌仍会一直显示另一种颜色，因为它会通过一种幽灵般的超距作用与第一张牌联系在一起。

我们可以强行赋予卡片以一组不同的颜色，类似于进行另一种类型的测试。此时我们可以打开一个信封并问这样的问题：「你拿的绿卡还是红卡？」。答案将再次是随机的：绿色或红色。但关键是，如果卡片被纠缠在一起，再被问到同样的问题时，另一张卡片将仍然会出现相反的结果。

阿尔伯特・爱因斯坦试图用其信奉的经典直觉来解释这一点，他认为卡片本来可能被一个隐藏的内部指令集告知它们在给定某个问题时以何种颜色出现。其次，他还否认卡片之间那种似乎可以让它们瞬间相互影响的表面上的「幽灵般的超距作用」，因为它意味着通信速度比光速还要快，这是同爱因斯坦的理论相违背的。

然而，爱因斯坦的解释随后被贝尔定理（物理学家约翰・斯图尔特・贝尔创建的理论测试）和 2022 年诺贝尔奖获得者的实验所驳斥。测量一张纠缠卡片会改变另一张卡片状态的想法不合理。量子粒子只是以我们无法用日常逻辑或语言描述的方式神秘地关联在一起 —— 正如爱因斯坦所认为的那样，它们不会在包含隐藏代码的情况下进行通信。

3. 自然是不真实且非局部的

贝尔定理通常被认为能证明自然不是「局部的」，也就是说一个物体不仅仅受到其当前周围环境的直接影响。另一种常见的解释即它意味着量子物体的属性不是「真实的」，它们在测量之前并不存在。

但是贝尔定理只能支持我们说量子物理意味着，如果我们同时假设一些别的条件时，自然就不是既真实且局部的。这些假设包括这样的一些想法：测试只有一个结果（而非多个，也许在平行世界中也仅有这一个结果）、因果关系随时间向前流动而变化且我们并不生活在一个「时钟宇宙」中（在这个宇宙中，一切都是从时间的开端时就被预先确定好了）。

尽管贝存在尔定理，但如果你允许打破我们认为是常识的一些其它事情的认知（例如时间向前移动），那自然很可能是真实的和局部的。同时，进一步的研究有望整合精简对量子力学的大量潜在解释。然而，大多数在讨论的选项，诸如时间倒流或者自由意志的丧失，至少与放弃局部现实的概念一样荒谬。

4. 无人理解量子力学

一句经典的名言（出自物理学家理查德・费曼，但这句话也以这种形式转述了丹麦物理学家尼尔斯・波尔的想法）说道：「如果你认为自己理解量子力学，那么你根本不理解它。」

这种观点在公众中被广泛接受。量子物理学被认为是不可能理解的，包括那些物理学家。但从 21 世纪的角度来看，量子物理学对于科学家来说在数学上和概念上理解都不是特别困难。我们非常好地了解它，以至于我们可以高精度地预测量子现象，模拟高度复杂的量子系统，甚至开始创建量子计算机。

叠加和纠缠，当用量子信息的语言来解释时，只需要满足高中数学水平即可。贝尔定理根本不需要任何量子物理学知识，只需使用概率论和线性代数知识就可以在几行中推导出。

也许，对于我们来说，其中真正的困难在于如何使量子物理学与我们的直觉现实相协调。不能得到所有的答案并不能阻止我们在量子技术方面取得新进展。我们能做的也许只是三缄其口并埋头计算（Shut up and calculate ）。

对于人类来说，幸运的是，诺贝尔奖得主 Aspect、Clauser 和 Zeilinger 拒绝仅仅沉默计算而是孜孜不倦地刨根问底。或许有一天，像他们这样的人会帮助实现量子的特异性与我们现实体验的协调。

原文链接：https://phys.org/news/2022-11-common-misconceptions-quantum-physics.html