需要打破的10个量子“神话”

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“量子”这个词本身就让人浮想联翩，关于它的种种谣言和“神话”更是多到不计其数，而在这篇文章中笔者将着重盘点10个流传最广、热度最高的量子“神话”，读者朋友阅读本文的同时也可以看看你自己中了几条。

尽管在量子层面上，现实似乎是不稳定的、不确定的，而且本质上是不确定的，但许多人坚信，可能存在我们不可见的属性，但这些属性决定了独立于观察者的客观现实的真正可能是。

关键要点

• 量子这个词让人们想到我们宇宙在最小尺度上的基本的、粒子和波的双重性质。

• 但这种印象给人们带来了错误的想法：量子事物很小，它们的行为要么这样要么那样，而且纠缠发生的速度比光还快。

• 关于我们的量子现实的真实事实要有趣得多，并且为各种揭示现实的实验铺平了道路。

几个世纪以来，物理定律似乎完全是确定性的。如果你知道每个粒子在哪里，它移动的速度有多快，以及它们之间在任何一个瞬间的力是什么，你就可以准确地知道它们在未来的任何时候会在哪里以及它们会做什么。从牛顿到麦克斯韦，支配宇宙的规则没有任何形式的内在的、固有的不确定性。您唯一的限制来自您有限的知识、测量及计算能力。

但所有的这一切在 100 多年前发生了一点变化。从放射性到光电效应，再到光通过双缝时的行为，我们开始意识到，在许多情况下，我们只能预测由于宇宙的量子性质而产生各种结果的概率。但伴随着这种新的、违反直觉的现实图景，出现了许多“神话”和误解。

通过创建一条轨道，其中外部磁轨指向一个方向，内部磁轨指向另一个方向，II 型超导物体将漂浮，保持固定在轨道上方或下方，并沿着它移动。如果实现室温超导体，原则上可以按比例放大以允许大规模无阻力运动。

1.) 量子效应只发生在小尺度上。当我们想到量子效应时，我们通常会想到单个粒子会发生本质上是量子的大规模宏观效应（或波）及其表现出的奇异特性。但事实并非如此。

冷却到一定温度以下的导电金属变成超导体：它们的电阻降至零。建造超导轨道，让磁铁悬浮在它们上方并绕着它们移动而不会减速， 这是当今学生的常规科学项目 ，它建立在固有的量子效应之上。

超流体可以在大的、宏观的尺度上产生，就像 同时振动和不振动的量子鼓一样。事实上，在过去的 25 年里， 6 次诺贝尔奖被授予 各种宏观量子现象。

Lutetium-177 原子的能级差异。请注意只有特定的、离散的能量水平是可接受的。虽然能级是离散的，但电子的位置不是。

2.) 量子总是意味着“离散的”。 可以将物质（或能量）分成单独的块（或量子）的想法是物理学中的一个重要概念，但它并没有完全涵盖自然界中“量子”的含义。例如：考虑一个原子。原子由原子核组成，电子与原子核结合。

现在，想一想这个问题：在任何时刻，电子在哪里？

尽管电子是一个量子实体，但在您对其进行测量之前，它的位置是不确定的。取许多原子并将它们结合在一起（例如在导体中），您会经常发现，尽管电子占据的能级是离散的，但它们的位置实际上可以在导体内的任何位置。许多量子效应在本质上是连续的，而且 空间和时间在基本的量子水平上也很可能是连续的。

通过从一个预先存在的系统中创建两个纠缠光子并将它们相距很远，我们可以通过测量另一个的状态来“传送”有关一个状态的信息，即使是从非常不同的位置。要求局部性和现实性的量子物理学解释无法解释无数的观察结果，但多种解释似乎都同样好。

3.) 量子纠缠允许信息以超光速传播。

这是我们可以进行的实验：

• 产生两个纠缠粒子，
• 隔着很远的距离，
• 在你这边测量一个粒子的某些量子特性（比如自旋），
• 你可以瞬间知道其他粒子的量子态的一些信息：比光速还快。

但这个实验的问题在于：没有任何信息的传输速度超过光速。所发生的一切是，通过测量一个粒子的状态，你正在限制另一个粒子的可能结果。如果有人去测量另一个粒子，他们将无法知道第一个粒子已经被测量并且纠缠已经被打破。确定纠缠是否已被打破的唯一方法是将两次测量的结果再次放在一起：这个过程只能以光速或更慢的速度发生。 没有任何信息可以比光传递得更快；这 在 1993 年的定理中得到了证明。

在传统的薛定谔猫实验中，你不知道量子衰变的结果是否已经发生，导致猫是否死亡。在盒子里，猫要么活要么死，这取决于放射性粒子是否衰变。如果它是一个真正的量子系统，猫将既不活着也不死，而是处于两种状态的叠加状态，直到被观察到。然而，你永远无法观察到猫既是死的又是活的。

4.) 叠加是量子物理学的基础。想象一下，一个系统可能处于多个可能的量子状态。它可能处于状态“A”的概率为 55%，状态“B”的概率为 30%，状态“C”的概率为 15%。然而，无论何时进行测量，您都不会看到这些可能状态的混合；你只会得到一个单一的结果：要么是“A”，要么是“B”，要么是“C”。

叠加作为确定可能结果（及其概率）的中间计算步骤非常有用，但我们永远无法直接测量它们。此外，叠加并不同样适用于所有可测量，因为您可以叠加动量但不能叠加位置，反之亦然。 与作为基本量子现象的纠缠不同，叠加无法量化或普遍测量。

各种量子解释及其对各种属性的不同分配。尽管存在差异，但尚无已知实验可以区分这些不同的解释，尽管可以排除某些解释，例如具有局部、真实、确定性隐藏变量的解释。

5.) 我们都选择我们最喜欢的量子解释。物理学就是关于你可以在这个宇宙中预测、观察和测量的东西。然而，对于量子物理学，有多种方法可以设想在量子水平上发生的事情，这些方法都与实验一致。现实可以是：

• 一系列量子波函数在进行测量时会瞬间“坍缩”，
• 量子波的无限集合，其中测量选择集合中的一个成员，
• 在“量子握手”中相遇的前向运动势能和后向运动势能的叠加，
• 对应于可能结果的无限数量的可能世界，我们只占据一条路径，

以及许多其他人。然而， 选择一种解释而不是另一种解释 除了可能教给我们自己的人类偏见外，没有教给我们任何东西。最好了解我们在各种条件下可以观察和测量的东西，这是物理上真实的，而不是更喜欢一种没有任何实验好处的解释。

全世界正在开发许多基于纠缠的量子网络，包括延伸到太空的网络，以利用量子隐形传态、量子中继器和网络以及量子纠缠的其他实际方面的怪异现象。量子态可以从一个位置“剪切并粘贴”到另一个位置，但不能在不破坏原始状态的情况下进行克隆、复制或“移动”。实际上，没有任何信息的交换速度比光快。

6.) 由于量子力学，隐形传态成为可能。实际上有 一种称为量子隐形传态的真实现象，但它绝对不意味着物理上可以将物理对象从一个位置传送到另一个位置。如果你拿两个纠缠的粒子并让一个靠近，同时将另一个发送到所需的目的地，你可以将信息从一端的未知量子态传送到另一端。

然而，这对它有很大的限制，包括它只适用于单个粒子，而且只能传送关于不确定量子态的信息，而不是任何物理物质。即使您可以将其放大以传输编码整个人类的量子信息，传输信息与传输物质也不同：您永远无法通过量子隐形传态来传送人类。

该图说明了位置和动量之间固有的不确定性关系。当一个被更准确地了解时，另一个本质上就不太可能被准确地了解。其他一对共轭变量，包括能量和时间，在两个垂直方向上自旋，或角位置和角动量，也表现出同样的不确定关系。

7.) 在量子宇宙中一切都是不确定的。有些事情是不确定的，但很多事情在量子宇宙中是非常明确和众所周知的。例如，如果你拿一个电子，你无法知道：

• 它的地位和势头，
• 或其在多个相互垂直方向上的角动量，

在任何情况下都准确且同时。但是关于电子的一些事情是可以准确知道的！我们可以确切地知道它的静止质量、电荷或它的寿命（似乎是无限的）。

量子物理学中唯一不确定的是它们之间具有特定关系的物理量对：它们是 共轭变量对。这就是为什么能量与时间、电压与自由电荷或角动量与角位置之间存在不确定关系的原因。虽然 许多数量对 之间存在固有的不确定性，但许多数量仍然是确切已知的。

当您到达峰顶的一半时，固有宽度或上图中峰宽的一半测得为 2.5 GeV：固有不确定性约为总质量的 +/- 3%。所讨论的粒子 Z 玻色子的质量峰值为 91.187 GeV，但由于其寿命过短，该质量本质上具有很大的不确定性。这个结果与标准模型的预测非常一致。

8.) 每个相同类型的粒子都具有相同的质量。如果你能把两个相同的粒子——比如两个质子或两个电子放在一个非常精确的天平上，它们就会始终具有相同的精确质量。但这只是因为质子和电子是具有无限寿命的稳定粒子。

如果你取而代之的是在短时间内衰变的不稳定粒子——比如两个顶夸克或两个希格斯玻色子并将它们放在一个完全准确的尺度上，你就不会得到相同的值。这是因为能量和时间之间存在固有的不确定性：如果一个粒子只存在有限的时间，那么该粒子所具有的能量（因此，从 E = mc²，静止质量）存在固有的不确定性. 在粒子物理学中，我们将其称为粒子的“宽度”，它可能导致粒子的固有质量不确定高达几个百分点。

Niels Bohr 和 Albert Einstein，1925 年在 Paul Ehrenfest 的家中讨论了很多话题。Bohr-Einstein 的辩论是量子力学发展过程中最具影响力的事件之一。今天，玻尔以其量子贡献而闻名，但爱因斯坦以其对相对论和质能等价的贡献而闻名。就英雄而言，两人在职业和个人生活中都存在巨大分歧。

9.) 爱因斯坦本人否认量子力学。的确，爱因斯坦有一句关于“上帝不与宇宙掷骰子”的名言。但是，反对量子力学固有的基本随机性——这就是那句话的背景——是在争论如何解释量子力学，而不是反对量子力学本身。

事实上，爱因斯坦论点的本质是，宇宙中可能存在比我们目前所能观察到的更多的东西，如果我们能够理解我们尚未发现的规则，也许在这里对我们来说似乎是随机性的东西可能会揭示更深层次的、非随机真理。尽管这一立场没有产生有用的结果，但对量子物理学基础的探索仍然是一个活跃的研究领域，成功地排除了一些涉及宇宙中存在的“隐藏变量”的解释。

今天，费曼图用于计算跨越强力、弱力和电磁力的每一个基本相互作用，包括在高能和低温/冷凝条件下。但这不可能是一个确切的画面。

10.) 量子场论中的粒子交换完全描述了我们的宇宙。这是物理学家在研究生院学习的量子场论的“肮脏的小秘密”：我们最常用于计算任意两个量子粒子之间相互作用的技术。我们将它们想象成在这两个量子之间交换的粒子，以及作为中间步骤可能发生的所有可能的进一步交换。

如果你能将此推断到所有可能的相互作用——科学家称之为任意 循环顺序 ，那么你会得到无稽之谈。这种技术只是一种近似：一个 渐近的、不收敛的级数 ，分解超过一定数量的项。这是一张非常有用的想法，但从根本上来说是不完整的。虚拟粒子交换的想法令人信服且直观，但不太可能是最终答案。