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作者：Alessandro Fedrizzi等

機(jī)器之心編譯編輯：王楷

對(duì)于這幾個(gè)誤解，你了解過嗎？

量子力學(xué)，是主宰原子和粒子微觀世界的理論，自有其獨(dú)有的魅力和特點(diǎn)。與諸多其他物理學(xué)領(lǐng)域不同，它奇妙萬分且又悖于直覺，令人驚嘆、引人入勝。2022 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予 Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger 三人，表彰他們?cè)诹孔恿W(xué)研究領(lǐng)域所做的貢獻(xiàn)，這引起了難抑的興奮和眾多的討論。

然而，無論是在聊天論壇、媒體還是科幻小說中，由于存在著許多長(zhǎng)久流傳的神話故事和錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，基于量子力學(xué)的討論往往會(huì)變得混亂。本文列舉出了四個(gè)關(guān)于量子物理學(xué)的四個(gè)常見誤解。

1. 一只既死又活的貓

埃爾溫?薛定諤（Erwin Schr?dinger ）可能永遠(yuǎn)也無法預(yù)測(cè)到他的思想實(shí)驗(yàn) —— 薛定諤的貓，會(huì)在 21 世紀(jì)的互聯(lián)網(wǎng)上爆紅。

該實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)一只不幸的貓科動(dòng)物被困在一個(gè)盒子里，且盒子里有一個(gè)由隨機(jī)量子事件（例如放射性衰變）觸發(fā)的殺戮開關(guān)，那么只要我們不打開盒子去查看，那其中的貓可能會(huì)同時(shí)處在一個(gè)又死又活的狀態(tài)。

我們?cè)缫阎懒孔恿Ｗ涌梢酝瑫r(shí)處于兩種狀態(tài)中，例如能同時(shí)存在于兩個(gè)地方。我們稱之為疊加。

科學(xué)家們已經(jīng)能夠在著名的雙縫實(shí)驗(yàn)中證明這一點(diǎn)，其中單個(gè)量子粒子，例如光子或電子，可以同時(shí)穿過墻壁上的兩個(gè)不同的小縫。這我們?nèi)绾沃赖哪兀?/p>

在量子物理學(xué)中，每個(gè)粒子的狀態(tài)也是一個(gè)波。但是，當(dāng)我們通過狹縫一個(gè)接一個(gè)地發(fā)送光子流時(shí)，它會(huì)在狹縫后面的投影屏幕上產(chǎn)生兩條波形相互干涉的圖案。由于每個(gè)光子在穿過狹縫時(shí)沒有任何其他光子可以干涉，這意味著它必須同時(shí)穿過兩個(gè)狹縫 —— 產(chǎn)生自身干涉。

然而，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，穿過兩個(gè)狹縫的粒子疊加中的狀態(tài)（波）需要是「連貫的」—— 即彼此之間具有明確的關(guān)系。

這些疊加實(shí)驗(yàn)可以通過尺寸和復(fù)雜性不斷增加的物體來進(jìn)行。Anton Zeilinger 在 1999 年的一項(xiàng)著名實(shí)驗(yàn)中就以被稱為「巴基球」的碳 60 大分子展示證明了量子疊加。

那么這對(duì)于我們所指的那只可憐的貓意味著什么呢？真的是只要我們不打開盒子，它就能既生又死？顯然，貓與可控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的單個(gè)光子完全不同，它更大更復(fù)雜。構(gòu)成貓的數(shù)以萬億計(jì)的原子彼此之間可能存在的任何干涉都是極其短暫的。

但這并不意味著量子干涉在生物系統(tǒng)中不會(huì)存在，只是它通常不適用于貓或人類等大型生物。

2. 簡(jiǎn)單類比可以解釋量子糾纏

糾纏是一種量子特性，它可以連接兩個(gè)不同的粒子，因此無論二者相距多遠(yuǎn)，只要測(cè)量其中一個(gè)粒子，你會(huì)瞬間自然而然知道另一個(gè)粒子的狀態(tài)。

對(duì)它的常見解釋通常會(huì)涉及我們傳統(tǒng)宏觀世界中的日常物品，例如骰子、卡片，甚至是一雙顏色奇怪的襪子。舉例來說，假設(shè)你告訴朋友你在一個(gè)信封中放了一張藍(lán)色卡片，在另一個(gè)信封中放了一張橙色卡片。如果你的朋友拿走打開了其中一個(gè)信封并發(fā)現(xiàn)了藍(lán)色卡片，他們就會(huì)知道另一個(gè)信封中有橙色卡片。

但是要想理解量子力學(xué)，你必須想象信封內(nèi)的兩張卡片處于聯(lián)合疊加狀態(tài)，這意味著它們同時(shí)都是橙色和藍(lán)色（確切來說就是橙色 / 藍(lán)色和藍(lán)色 / 橙色）。打開一個(gè)信封會(huì)隨機(jī)顯示確定的一種顏色，但打開第二張牌仍會(huì)一直顯示另一種顏色，因?yàn)樗鼤?huì)通過一種幽靈般的超距作用與第一張牌聯(lián)系在一起。

我們可以強(qiáng)行賦予卡片以一組不同的顏色，類似于進(jìn)行另一種類型的測(cè)試。此時(shí)我們可以打開一個(gè)信封并問這樣的問題：「你拿的綠卡還是紅卡？」。答案將再次是隨機(jī)的：綠色或紅色。但關(guān)鍵是，如果卡片被糾纏在一起，再被問到同樣的問題時(shí)，另一張卡片將仍然會(huì)出現(xiàn)相反的結(jié)果。

阿爾伯特?愛因斯坦試圖用其信奉的經(jīng)典直覺來解釋這一點(diǎn)，他認(rèn)為卡片本來可能被一個(gè)隱藏的內(nèi)部指令集告知它們?cè)诮o定某個(gè)問題時(shí)以何種顏色出現(xiàn)。其次，他還否認(rèn)卡片之間那種似乎可以讓它們瞬間相互影響的表面上的「幽靈般的超距作用」，因?yàn)樗馕吨ㄐ潘俣缺裙馑龠€要快，這是同愛因斯坦的理論相違背的。

然而，愛因斯坦的解釋隨后被貝爾定理（物理學(xué)家約翰?斯圖爾特?貝爾創(chuàng)建的理論測(cè)試）和 2022 年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的實(shí)驗(yàn)所駁斥。測(cè)量一張糾纏卡片會(huì)改變另一張卡片狀態(tài)的想法不合理。量子粒子只是以我們無法用日常邏輯或語(yǔ)言描述的方式神秘地關(guān)聯(lián)在一起 —— 正如愛因斯坦所認(rèn)為的那樣，它們不會(huì)在包含隱藏代碼的情況下進(jìn)行通信。

3. 自然是不真實(shí)且非局部的

貝爾定理通常被認(rèn)為能證明自然不是「局部的」，也就是說一個(gè)物體不僅僅受到其當(dāng)前周圍環(huán)境的直接影響。另一種常見的解釋即它意味著量子物體的屬性不是「真實(shí)的」，它們?cè)跍y(cè)量之前并不存在。

但是貝爾定理只能支持我們說量子物理意味著，如果我們同時(shí)假設(shè)一些別的條件時(shí)，自然就不是既真實(shí)且局部的。這些假設(shè)包括這樣的一些想法：測(cè)試只有一個(gè)結(jié)果（而非多個(gè)，也許在平行世界中也僅有這一個(gè)結(jié)果）、因果關(guān)系隨時(shí)間向前流動(dòng)而變化且我們并不生活在一個(gè)「時(shí)鐘宇宙」中（在這個(gè)宇宙中，一切都是從時(shí)間的開端時(shí)就被預(yù)先確定好了）。

盡管貝存在爾定理，但如果你允許打破我們認(rèn)為是常識(shí)的一些其它事情的認(rèn)知（例如時(shí)間向前移動(dòng)），那自然很可能是真實(shí)的和局部的。同時(shí)，進(jìn)一步的研究有望整合精簡(jiǎn)對(duì)量子力學(xué)的大量潛在解釋。然而，大多數(shù)在討論的選項(xiàng)，諸如時(shí)間倒流或者自由意志的喪失，至少與放棄局部現(xiàn)實(shí)的概念一樣荒謬。

4. 無人理解量子力學(xué)

一句經(jīng)典的名言（出自物理學(xué)家理查德?費(fèi)曼，但這句話也以這種形式轉(zhuǎn)述了丹麥物理學(xué)家尼爾斯?波爾的想法）說道：「如果你認(rèn)為自己理解量子力學(xué)，那么你根本不理解它?！?/p>

這種觀點(diǎn)在公眾中被廣泛接受。量子物理學(xué)被認(rèn)為是不可能理解的，包括那些物理學(xué)家。但從 21 世紀(jì)的角度來看，量子物理學(xué)對(duì)于科學(xué)家來說在數(shù)學(xué)上和概念上理解都不是特別困難。我們非常好地了解它，以至于我們可以高精度地預(yù)測(cè)量子現(xiàn)象，模擬高度復(fù)雜的量子系統(tǒng)，甚至開始創(chuàng)建量子計(jì)算機(jī)。

疊加和糾纏，當(dāng)用量子信息的語(yǔ)言來解釋時(shí)，只需要滿足高中數(shù)學(xué)水平即可。貝爾定理根本不需要任何量子物理學(xué)知識(shí)，只需使用概率論和線性代數(shù)知識(shí)就可以在幾行中推導(dǎo)出。

也許，對(duì)于我們來說，其中真正的困難在于如何使量子物理學(xué)與我們的直覺現(xiàn)實(shí)相協(xié)調(diào)。不能得到所有的答案并不能阻止我們?cè)诹孔蛹夹g(shù)方面取得新進(jìn)展。我們能做的也許只是三緘其口并埋頭計(jì)算（Shut up and calculate ）。

對(duì)于人類來說，幸運(yùn)的是，諾貝爾獎(jiǎng)得主 Aspect、Clauser 和 Zeilinger 拒絕僅僅沉默計(jì)算而是孜孜不倦地刨根問底?；蛟S有一天，像他們這樣的人會(huì)幫助實(shí)現(xiàn)量子的特異性與我們現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的協(xié)調(diào)。

原文鏈接：https:///news/2022-11-common-misconceptions-quantum-physics.html