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作者：Alessandro Fedrizzi等

機器之心編譯編輯：王楷

對于這幾個誤解，你了解過嗎？

量子力學，是主宰原子和粒子微觀世界的理論，自有其獨有的魅力和特點。與諸多其他物理學領域不同，它奇妙萬分且又悖于直覺，令人驚嘆、引人入勝。2022 年諾貝爾物理學獎被授予 Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger 三人，表彰他們在量子力學研究領域所做的貢獻，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，由于存在著許多長久流傳的神話故事和錯誤認識，基于量子力學的討論往往會變得混亂。本文列舉出了四個關于量子物理學的四個常見誤解。

1. 一只既死又活的貓

埃爾溫?薛定諤（Erwin Schr?dinger ）可能永遠也無法預測到他的思想實驗 —— 薛定諤的貓，會在 21 世紀的互聯(lián)網(wǎng)上爆紅。

該實驗指出，當一只不幸的貓科動物被困在一個盒子里，且盒子里有一個由隨機量子事件（例如放射性衰變）觸發(fā)的殺戮開關，那么只要我們不打開盒子去查看，那其中的貓可能會同時處在一個又死又活的狀態(tài)。

我們早已知道量子粒子可以同時處于兩種狀態(tài)中，例如能同時存在于兩個地方。我們稱之為疊加。

科學家們已經(jīng)能夠在著名的雙縫實驗中證明這一點，其中單個量子粒子，例如光子或電子，可以同時穿過墻壁上的兩個不同的小縫。這我們如何知道的呢？

在量子物理學中，每個粒子的狀態(tài)也是一個波。但是，當我們通過狹縫一個接一個地發(fā)送光子流時，它會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。由于每個光子在穿過狹縫時沒有任何其他光子可以干涉，這意味著它必須同時穿過兩個狹縫 —— 產(chǎn)生自身干涉。

然而，為了實現(xiàn)這一點，穿過兩個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系。

這些疊加實驗可以通過尺寸和復雜性不斷增加的物體來進行。Anton Zeilinger 在 1999 年的一項著名實驗中就以被稱為「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，貓與可控實驗室環(huán)境中的單個光子完全不同，它更大更復雜。構成貓的數(shù)以萬億計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)中不會存在，只是它通常不適用于貓或人類等大型生物。

2. 簡單類比可以解釋量子糾纏

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

對它的常見解釋通常會涉及我們傳統(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，假設你告訴朋友你在一個信封中放了一張藍色卡片，在另一個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信封并發(fā)現(xiàn)了藍色卡片，他們就會知道另一個信封中有橙色卡片。

但是要想理解量子力學，你必須想象信封內的兩張卡片處于聯(lián)合疊加狀態(tài)，這意味著它們同時都是橙色和藍色（確切來說就是橙色 / 藍色和藍色 / 橙色）。打開一個信封會隨機顯示確定的一種顏色，但打開第二張牌仍會一直顯示另一種顏色，因為它會通過一種幽靈般的超距作用與第一張牌聯(lián)系在一起。

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

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，他認為卡片本來可能被一個隱藏的內部指令集告知它們在給定某個問題時以何種顏色出現(xiàn)。其次，他還否認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」，因為它意味著通信速度比光速還要快，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（物理學家約翰?斯圖爾特?貝爾創(chuàng)建的理論測試）和 2022 年諾貝爾獎獲得者的實驗所駁斥。測量一張糾纏卡片會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言描述的方式神秘地關聯(lián)在一起 —— 正如愛因斯坦所認為的那樣，它們不會在包含隱藏代碼的情況下進行通信。

3. 自然是不真實且非局部的

貝爾定理通常被認為能證明自然不是「局部的」，也就是說一個物體不僅僅受到其當前周圍環(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「真實的」，它們在測量之前并不存在。

但是貝爾定理只能支持我們說量子物理意味著，如果我們同時假設一些別的條件時，自然就不是既真實且局部的。這些假設包括這樣的一些想法：測試只有一個結果（而非多個，也許在平行世界中也僅有這一個結果）、因果關系隨時間向前流動而變化且我們并不生活在一個「時鐘宇宙」中（在這個宇宙中，一切都是從時間的開端時就被預先確定好了）。

盡管貝存在爾定理，但如果你允許打破我們認為是常識的一些其它事情的認知（例如時間向前移動），那自然很可能是真實的和局部的。同時，進一步的研究有望整合精簡對量子力學的大量潛在解釋。然而，大多數(shù)在討論的選項，諸如時間倒流或者自由意志的喪失，至少與放棄局部現(xiàn)實的概念一樣荒謬。

4. 無人理解量子力學

一句經(jīng)典的名言（出自物理學家理查德?費曼，但這句話也以這種形式轉述了丹麥物理學家尼爾斯?波爾的想法）說道：「如果你認為自己理解量子力學，那么你根本不理解它。」

這種觀點在公眾中被廣泛接受。量子物理學被認為是不可能理解的，包括那些物理學家。但從 21 世紀的角度來看，量子物理學對于科學家來說在數(shù)學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測量子現(xiàn)象，模擬高度復雜的量子系統(tǒng)，甚至開始創(chuàng)建量子計算機。

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

也許，對于我們來說，其中真正的困難在于如何使量子物理學與我們的直覺現(xiàn)實相協(xié)調。不能得到所有的答案并不能阻止我們在量子技術方面取得新進展。我們能做的也許只是三緘其口并埋頭計算（Shut up and calculate ）。

對于人類來說，幸運的是，諾貝爾獎得主 Aspect、Clauser 和 Zeilinger 拒絕僅僅沉默計算而是孜孜不倦地刨根問底?；蛟S有一天，像他們這樣的人會幫助實現(xiàn)量子的特異性與我們現(xiàn)實體驗的協(xié)調。

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