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关于量子物理学的四个常见误解

量子力学,统治原子和粒子微观世界的理论,当然有X因素。与许多其他物理学领域不同,它奇异且违反直觉,这使它令人眼花缭乱且引人入胜。当2022年诺贝尔物理学奖授予AlainAspect、JohnClauser和AntonZeilinger,以表彰他们对量子力学的研究,引发了兴奋和讨论。

但是关于量子力学的辩论——无论是在聊天论坛、媒体还是科幻小说中——往往会因为一些持续存在的神话和误解而变得混乱。这里有四个。

1.猫可以死也可以活

ErwinSchrödinger可能永远无法预测他的思想实验,即薛定谔的猫,会在21世纪获得互联网模因地位。

这表明,只要我们不打开盒子进行检查,一只不幸的猫科动物被困在一个盒子里,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。

我们早就知道量子粒子可以同时处于两种状态,例如在两个位置。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狭缝。我们怎么知道?

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,它会在狭缝后面的屏幕上产生两个波相互干扰的图案。由于每个光子在穿过狭缝时没有任何其他光子可以干扰,这意味着它必须同时穿过两个狭缝——干扰自身(下图)。

然而,要使其发挥作用,穿过两个狭缝的粒子叠加态(波)需要是“连贯的”——彼此之间具有明确定义的关系。

这些叠加实验可以用不断增加的尺寸和复杂性的物体来完成。AntonZeilinger在1999年的一项著名实验证明了与被称为“巴基球”的碳60大分子的量子叠加。

那么这对我们可怜的猫意味着什么呢?只要我们不打开盒子,它真的是既生又死?显然,猫与受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相干性都是极其短暂的。

这并不意味着量子相干在生物系统中是不可能的,只是它通常不适用于猫或人类等大型生物。

2.简单的类比可以解释纠缠

纠缠是一种量子特性,它连接了两个不同的粒子,因此如果你测量一个粒子,你会自动并立即知道另一个粒子的状态——无论它们相距多远。

对它的常见解释通常涉及我们经典宏观世界中的日常物品,例如骰子、卡片,甚至是一双奇怪颜色的袜子。例如,假设您告诉您的朋友您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。如果您的朋友拿走并打开其中一个信封并找到蓝色卡片,他们就会知道您有橙色卡片。

但是要理解量子力学,你必须想象信封内的两张卡片处于联合叠加状态,这意味着它们同时是橙色和蓝色(特别是橙色/蓝色和蓝色/橙色)。打开一个信封会显示随机确定的一种颜色。但是打开第二张牌仍然总是显示相反的颜色,因为它与第一张牌“诡异”地联系在一起。

可以强制卡片以不同的颜色显示,类似于进行另​​一种类型的测量。我们可以打开一个信封,问这个问题:“你是绿卡还是红卡?”。答案将再次是随机的:绿色或红色。但至关重要的是,如果卡片被纠缠在一起,当被问到同样的问题时,另一张卡片仍然会产生相反的结果。

阿尔伯特·爱因斯坦试图用经典的直觉来解释这一点,他认为卡片可能带有一个隐藏的内部指令集,告诉它们在给定某个问题时以什么颜色出现。他还拒绝了卡片之间明显的“幽灵”动作,这种动作似乎可以让它们立即相互影响,这意味着通信速度比光速还要快,这是爱因斯坦的理论所禁止的。

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排除。测量一张纠缠卡片会改变另一张卡片状态的想法是不正确的。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起来——它们不交流,同时也包含隐藏的代码,正如爱因斯坦所想的那样。因此,当您考虑纠缠时,请忘记日常物品。

3.自然是不真实的和“非本地的”

贝尔定理通常被认为证明自然不是“局部的”,一个物体不仅仅直接受到其周围环境的影响。另一种常见的解释是它暗示量子物体的属性不是“真实的”,它们在测量之前不存在。

但是贝尔定理只允许我们说,如果我们同时假设其他一些事情,量子物理学意味着自然既不是真实的又是局部的。这些假设包括这样的想法,即测量只有一个结果(而不是多个,也许在平行世界中),因果关系在时间上向前流动,并且我们并不生活在一个“发条宇宙”中,在这个宇宙中,一切都是从那时起就预先确定的时间的黎明。

尽管有贝尔定理,但如果你允许打破我们认为常识的其他一些事情,比如时间向前移动,自然很可能是真实的和局部的。进一步的研究有望缩小对量子力学的大量潜在解释。然而,桌面上的大多数选择——例如,时间倒流,或者没有自由意志——至少与放弃局部现实的概念一样荒谬。

4.没有人了解量子力学

一句经典名言(归因于物理学家理查德·费曼,但在这种形式下也转述了尼尔斯·玻尔)推测:“如果你认为你了解量子力学,那你就不了解它。”

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,包括物理学家。但从21世纪的角度来看,量子物理学在数学上和概念上对科学家来说都不是特别困难。我们非常了解它,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,甚至开始构建量子计算机。

叠加和纠缠,当用量子信息的语言来解释时,只需要高中数学。贝尔定理根本不需要任何量子物理学。它可以使用概率论和线性代数在几行中导出。

也许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。没有所有答案不会阻止我们在量子技术方面取得进一步进展。我们可以简单地闭嘴计算。

对人类来说幸运的是,诺贝尔奖获得者Aspect、Clauser和Zeilinger拒绝闭嘴并不断询问原因。像他们这样的其他人有一天可能会帮助调和量子怪异与我们对现实的体验。

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