 “量子力学量力学”“遇事不决，量子力学”式的调侃让普罗大众对“量子”自动加上了魔幻滤镜。非物理专业的人士应该如何切入这个话题才不至于云里雾里？爱因斯坦称作“鬼魅”的现象到底是什么？我们能否为量子力学祛魅？ “量子力学”常常被视为晦涩难懂的物理概念，尤其是对非理工背景的朋友们来说，可能更是听得一头雾水。但对于很多物理专业人员而言，只要遵循量子力学本身的逻辑，依照量子力学方程来解决具体问题，这一整套体系是比较容易掌握的。量子力学的难懂之处，主要体现在它与传统的、经典的物理学相对比时，让学习者常常感到常识被“颠覆”，很多现象与经典物理现象相矛盾，其中一个核心的点就在于如何理解双缝实验。  阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955），提出光量子假设、成功解释了光电效应，相对论物理创立者，是继伽利略、牛顿之后最伟大的物理学家。1921年获诺贝尔物理学奖。 我们现在的实验技术已经可以做到让电子一个一个地释放并通过平行的双缝，动作类似于足球射门，每当一个电子穿过狭缝打到探测屏，探测屏上就会出现一个亮点，这说明电子具有粒子性。 假如按照经典物理的思想，光束是由经典粒子组成，我们可以猜想：当光束照射于一条狭缝时，探测屏上呈现的应该是与狭缝对应的图样；当光束照射于两条相互平行的狭缝时，探测屏上呈现的光点应该是两个单缝图样的简单叠加。但在实际的单缝实验中，探测屏显示出衍射图样，光束被展开，当狭缝越狭窄，展开角度就越大，在探测屏中央区域有一条比较明亮的光带，两边是比较暗淡的光带。在实际的双缝实验中，探测屏则呈现出一系列明亮条纹与暗淡条纹相间的图样。比较明亮的地方我们可以理解为是因为量子具有同相位，能够相互增强的结果，并且这种干涉图样展现出电子又具有波动性。  双缝实验示意图 我们如果直接接受电子是波，似乎可以解释双缝实验这种干涉图样的现象，但假如我们更进一步，按照理查德·费曼设计双缝实验思想，在实验时每次射出一个电子同时随机关掉一个缝，那么在探测屏上的电子一定是从剩下的那个缝里穿过，此时的探测屏上，干涉图样竟然也消失了，又成为概率叠加的图样。  电子打在探测屏上的图样 针对此现象，费曼提出了路径积分表述进行解释，费曼强调这只是一种数学描述，而并不是尝试描述某些无法观察到的真实物理过程。路径积分表述并没有采用粒子的单独唯一运动轨道这种经典概念，取而代之的是所有可能轨道的总和，并且使用泛函积分，就可以计算出所有可能轨道的总和。更具体地说，假设一个光子要从发射点 a 移动至探测屏的位置点 d，它会尝试选择经过所有的可能路径，包括选择同时经过两条路径，两条路径分别经过不同的狭缝；可是，假设在狭缝板旁边的点 c 设置探测器，来观察光子会经过两条狭缝中的那一条狭缝，整个实验设置立刻有所改变，探测器观察到光子，新的路径是从 c 到 d，而在 c 与 d 之间只有空旷的空间，并没有两条狭缝，因此不会出现干涉图样。  理查德·费曼（1918—1988），美国物理学家，创建了路径积分量子力学理论，并提出量子电动力学新的理论形式、计算方法和重正化方法，从而避免了量子电动力学中的发散困难，1965年获得诺贝尔物理学奖。 双缝实验可以看作是对单个粒子的实验，那么如果对两个粒子进行实验观察，情况又将如何？著名的 EPR 悖论（以三位科学家姓氏首字母命名）出自由爱因斯坦（Einstein）、潘多尔斯基（Podolsky）和罗森（Rosen）发表的论文《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗》，是对量子力学描述不完备的批评。在论证中，爱因斯坦等人设想了一个测量粒子坐标和动量的 EPR 思想实验，可以凸显出局域实在论与量子力学完备性之间的矛盾。 文中讨论了两个粒子的纠缠态：如果测得粒子 1 的坐标，就可以立即确定粒子 2 的坐标；如果测得粒子 1 的动量，就可以立即确定粒子 2 的动量。这说明两个粒子存在纠缠。由于进行测量时，粒子 1 和粒子 2 的距离很大，爱因斯坦等人认为对一个粒子的测量不会对另一个粒子造成干扰，并给出一个实在性判据：如果完全不干扰一个体系而能确定地预言一个物理量的值，那么这个物理量就存在物理实在性的一个元素。 根据这个判据，粒子 2 的坐标和动量都应该是物理实在的元素，但量子力学又认为粒子的坐标和动量不能同时具有确定值，因此该描述是不完备的。后来玻姆把 EPR 思想实验简化为测量自旋的实验：考虑两个自旋为 1/2 的粒子 A 和 B 构成一个体系，在一定时刻后，使 A 和 B 完全分离，不再相互作用；当测得 A 自旋的某一分量后，根据角动量守恒就能确定地预言 B 在相应方向上的自旋值。由于可以任意选取测量方向，B 自旋在各个方向上的分量应都能确定地预言。因此，根据实在性判据，B 自旋在各个方向上的分量同时具有确定的值，都代表物理实在的要素，并且在测量之前就已经存在，但量子力学却不允许同时确定地预言自旋的 8 个分量值，所以不能认为它提供了对物理实在的完备描述。如果我们坚持把量子力学看作是完备的，那就必须承认对 A 的测量可以影响到 B 的状态，也就相当于承认某种超距作用。 薛定谔率先使用 Verschränkung（他自己将之翻译为“纠缠”）来形容 EPR 实验中，两个暂时耦合的粒子在不再耦合之后彼此之间仍旧维持的关联。爱因斯坦将量子之间存在纠缠的特性称为鬼魅的超距作用（spooky action at distance）。  亚里士多德（公元前384—前322），古希腊人，世界古代史上伟大的哲学家、科学家和教育家。 局域实在论就涉及科学发展史上对局域性与非局域性（或称定域性与非定域性）的讨论。伽利略对现代科学的发展有重要贡献，他将物理实验、物理学放在了很重要的位置上，超越了亚里士多德的理论体系。但令人惋惜的是，他明明已经观察到了圆周运动，依然与力学第一定律、第二定律失之交臂，很大原因就在于伽利略认为力必须具有定域性（locality），换言之，物体之间必须相互接触才能产生力的作用。牛顿则是承认了力的非定域性，也因此发现了力学的第一定律、第二定律。到了爱因斯坦则更进一步，他指出力的非定域性虽然看不见，但是通过场进行作用，空间会弯曲，并且存在万有引力。但相对论并不能解释量子之间的纠缠，这也是量子力学最难懂的地方之一。  艾萨克·牛顿（1643—1727），英国物理学家、数学家，万有引力和三大运动定律的发现者，微积分发明者，百科全书式的“全才”，著有《自然哲学的数学原理》《光学》，是人类历史上最伟大的科学家之一。 具体地说，这是量子纠缠与光速不变性之间的冲突。在相对论中引入了光速，并且光速是恒定不变的，具有上限值。有了不变光速，就能够得到质能转换，也就是质量与能量之间相互转换。不论光速有多快，按照相对论，两个物体之间如果相隔一段距离，其相互作用必然有延时。然而，一对纠缠的量子不论相隔多远，如果其中一个量子在某时刻被测定，那么另一个远在天边的纠缠量子在该时刻测量都会是对应的确定状态，不存在时间差，这就是爱因斯坦形容超距作用的鬼魅之处。 【本文来源于人民出版社出版的《量子科技公开课》】  |
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