選自phys.org
作者：Alessandro Fedrizzi等
機(jī)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(xué)，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(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)獎被授予 Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger 三人，表彰他們在量子力學(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，由于存在著許多長久流傳的神話故事和錯誤認(rèn)識，基于量子力學(xué)的討論往往會變得混亂。本文列舉出了四個關(guān)于量子物理學(xué)的四個常見誤解。
1. 一只既死又活的貓
埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrdinger ）可能永遠(yuǎn)也無法預(yù)測到他的思想實驗 薛定諤的貓，會在 21 世紀(jì)的互聯(lián)網(wǎng)上爆紅。
該實驗指出，當(dāng)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(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(xué)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?nèi)绾沃赖哪兀?/p>
在量子物理學(xué)中，每個粒子的狀態(tài)也是一個波。但是，當(dāng)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(guān)系。
這些疊加實驗可以通過尺寸和復(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(fù)雜。構(gòu)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(yuǎn)，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(shè)你告訴朋友你在一個信封中放了一張藍(lán)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(lán)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(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）。打開一個信封會隨機(jī)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(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(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，另一張卡片將仍然會出現(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，他認(rèn)為卡片本來可能被一個隱藏的內(nèi)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(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(xué)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(guān)聯(lián)在一起 正如愛因斯坦所認(rèn)為的那樣，它們不會在包含隱藏代碼的情況下進(jìn)行通信。
約翰·斯圖爾特·貝爾。
3. 自然是不真實且非局部的
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(shè)一些別的條件時，自然就不是既真實且局部的。這些假設(shè)包括這樣的一些想法：測試只有一個結(jié)果（而非多個，也許在平行世界中也僅有這一個結(jié)果）、因果關(guān)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(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)為是常識的一些其它事情的認(rèn)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(jìn)一步的研究有望整合精簡對量子力學(xué)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(xué)
一句經(jīng)典的名言（出自物理學(xué)家理查德·費曼，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�！�
理查德·費曼。
這種觀點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)建量子計算機(jī)。
疊加和糾纏，當(dāng)用量子信息的語言來解釋時，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，只需使用概率論和線性代數(shù)知識就可以在幾行中推導(dǎo)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(xué)與我們的直覺現(xiàn)實相協(xié)調(diào)。不能得到所有的答案并不能阻止我們在量子技術(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算（Shut up and calculate ）。
對于人類來說，幸運(yùn)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(diào)。
