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对于量子力学，有些人痴迷于其中的奇妙现象，希望一窥量子世界的奥秘；也有些人将量子力学视作天书，一听到各种复杂的概念就会满头雾水。那么，到底什么是量子力学呢？ 其实，量子力学并没有那么神秘，它已经发展成为一门成熟的物理学分支。早在19世纪末，随着对微观世界的不断探索，物理学家逐渐意识到，适用于宏观世界的经典物理理论，无法解释微观世界中的运行规律和某些奇妙现象。于是，经过物理学家的不懈努力，终于找到了用以描述微观世界的物理理论，这就是“量子力学”。 正是因为量子力学所描述的微观世界，不同于我们身处的宏观世界，因此，我们总是习惯性地采用经典物理理论来思考问题，而很难理解量子力学。然而，要想把握量子力学的精髓，我们就只需要弄清楚“量子纠缠”这一核心概念就可以了。 量子纠缠——量子力学理论的核心概念 估计很多小伙伴都会对量子纠缠有所耳闻，但或许对它的理解并不深刻。 在量子力学的理论体系中，当几个微观粒子在相互作用后，无论之后彼此相距多远，这几个微观粒子所具有的物理量都只能当作一个整体来进行描述，而无法再单独描述单个微观粒子的物理量。这种只存在于微观世界内，并且描述整个系统的物理量的现象，就叫作“量子纠缠”。 在这里我们举个例子，来更加直观地体会量子纠缠的奇妙之处。比如，物理学家可以将一个正电子和一个负电子对撞，从而发生湮灭并且释放出一对光子（小伙伴们不必纠结于正负电子这一概念，只需要了解，这对光子整体的物理量一定是守恒的即可）。 由于这对光子的总物理量始终守恒，因此无论这两个光子相距多远，其中一个光子的变化都会立即导致另外一个光子也发生改变。因此，这对光子无论相距多远，都始终处于“量子纠缠”的状态。 这种量子纠缠的现象是很不可思议的。这是因为，如果这对光子之间要保持这种奇妙的相互作用，那就说明，它们彼此之间需要在瞬间完成信号的传递。而这种瞬间的超光速的相互作用，违反我们在宏观世界中的常识，因此让人一时间无法理解。 其实，不单单是我们无法理解量子纠缠，就连很多物理学家都很难解释这一奇妙的微观现象。于是连爱因斯坦都感叹到，量子纠缠是一种“鬼魅的相互作用”。 而从19世纪末至今，无数的物理学家也在一次又一次的思想碰撞中，逐步揭开量子纠缠的神秘面纱。也正是在长期的争辩中，人们逐渐发现了微观世界中的运行规律，并且进一步丰富和完善了量子力学的理论体系。 那么，作为普通大众的我们该如何在奇妙复杂的微观世界中，寻找到量子力学的奥秘呢？不妨跟着作者，穿越百年的时空来感受物理学大师们在量子纠缠上一次次的巅峰对决吧！ 经典物理学派VS量子物理学派 在19世纪末到20世纪初，当时的物理学界出现了影响至今的两大学派，其中一派是以爱因斯坦、薛定谔为代表的“经典物理学派”，而另外一派则是以波尔、海森堡为代表的“量子物理学派”。 顾名思义，经典物理学派始终坚持从经典物理理论的角度出发，用宏观世界中的经验来思考物理问题。例如，爱因斯坦就一直强调，我们身处的物理世界应该是“确定性”的，而不能是充满随机性的概率。此外，一个完备的物理理论也应该遵循严格的“实在性”和“局域性”。 上述的“确定性”可以这样简单理解，当知道摇晃中的骰子的所有物理信息（如质量、速度等）后，我们就能够通过物理定律计算出骰子的点数。也就是说，掷骰子本身也并非一个概率性事件，只是我们了解的物理信息不够充分才不知道掷骰子的结果。 而“实在性”是指，物理世界的性质本身是实实在在的，而不是依赖于我们的观察。这就像，无论我们是否抬头观察夜空，月亮总会挂在那里不会消失。 最后的“局域性”是指，物体之间存在相互作用，但是这种相互作用的传递速度是不可能超过光速的，更不可能是瞬间的。这是因为，爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，光速是宇宙中最快的速度。  尼尔斯·波尔（图片来源：wikipedia） 而以波尔、海森堡为代表的量子物理学派却不这样认为。 针对经典物理学派提出的确定性，量子物理学派强调，微观世界中应该遵循统计意义上的概率性质，而不再像宏观世界一样总是对应确实的结果。因此，微观世界的本质上就是“概率性”的。 这里的“概率性”是指，在微观世界中，物质的状态并不确定，它可能是这样的，也可能是那样的，它存在一定概率这样，也存在一定概率那样。 为了进一步描述微观世界中的概率性事件，量子物理学派提出了“波函数”的概念，来体现这种概率性本质。也就是说，微观世界中的物理状态在被观测之前，它总是处于不同状态的叠加，而一旦被观测后，就会转变为其中某个确定的状态。 这里的“叠加性”也是微观世界中特有的现象，比如，微观世界中单个放射性粒子的衰变就是一种概率性的事件。因此，在一段时间内，单个放射性粒子有一定的概率发生了衰变，也有一定概率保持原状，那么这个放射性离子就处于“发生衰变/未衰变”的叠加状态。 而对于经典物理学派所坚持的观点，即一个完备的物理理论应该遵循严格的实在性和局域性。量子物理学派也回应道，这种所谓的实在性和局域性只是我们对于宏观世界运行规律的理解，而并不适用于微观世界。因此，我们应该运用量子力学中“量子纠缠”的概念，来理解和处理微观世界中的问题。 可以说，经典物理学派和量子物理学派有关微观世界的争论，已经超出单纯的物理学范畴，而是体现了两种认知世界的哲学思考。爱因斯坦虽然也是量子力学的提出者之一，他却始终怀疑量子力学的完备性，并且不断提出更为深刻的思想实验（只采用逻辑上的推理，而没有进行相应的实验）来寻找量子力学的漏洞。 也正因为如此，量子力学的研究才得到了空前的发展，并且促使人们开始更加深入地思索认识世界的方式。此外，实验物理学家也用一次又一次精密的实验结果，验证了量子力学的正确性。 在这场关于物理学术观点的巅峰对决中，两个学派互不相让（两个学派的领军人物都出现在了这里）。那么接下来就让我们来一看究竟吧。 “薛定谔的猫”：我为量子叠加代言 经典物理学派的观点得到了广大物理学家的支持，其中一个物理学家就是大名鼎鼎的薛定谔！ 为了支持经典物理学派，薛定谔构思了一个有趣的思想实验，即“薛定谔的猫”思想实验，来反驳量子物理学派的概率性观点。 简单而言，薛定谔假设一只猫被放在完全密闭的箱子内，这个箱子的内部状态无法被外界所探测。箱子的内部也同时存在可以概率性衰变的放射性物质，以及一套探测放射性衰变的毒气释放装置。 如果在一段时间内，放射性物质没有发生衰变，那么毒气释放装置就不会被触发，因而猫仍然会存活；然而，如果放射性物质发生衰变，那么该装置就会探测到衰变这一事件，从而触发毒气释放的开关，那么可怜的猫就会死去。 也就是说，在箱子未被打开之前，这只猫的生死状态取决于放射性物质的是否衰变。但是，奇怪的事情发生了！按照量子力学的观点，在微观世界中，放射性物质的衰变与否本身就是一个概率性的事件，而无法被准确地预测。因此，我们可以惊奇地发现，这只猫在未被观测之前，竟然无法处于一个确定的状态，只能说是处于存活/死亡的概率性叠加状态之中！ 薛定谔希望，将量子物理学派信奉的微观世界中“概率性”，关联放大到宏观世界中，来违反人们生活中的常识，从而体现出量子理论的荒谬之处。 按照我们身处的宏观世界来理解，薛定谔的假设当然是正确的，而这种概率性的事件简直是无比的荒谬。以至于连爱因斯坦都感叹道：“我不相信只是因为我没有去看月亮一眼，夜空中的月亮就有可能消失”。 波尔的反驳：抛弃经典时代的想法吧，迎接量子时代！ 薛定谔的思想实验看起来是那么完美，然而量子物理学派并不认可薛定谔的这种思想实验。波尔认为，经典物理学派并没有真正体会到微观世界中的概率性本质，而是仍然采用经典物理理论的思维，来套用量子物理理论的框架。 首先，微观世界中的概率性特征，不应该对应着宏观世界中的具体事物，而是应该存在一种失效的边界。 也就是说，薛定谔思想实验中的“放射性物质随机衰变”这一微观事件，不能够无限地拓展到我们身处的宏观世界中。因此，我们不能对箱子中的猫采用量子力学的概率性进行描述，也就不存在处于存活/死亡叠加状态的猫。 其次，薛定谔思想实验中的“毒气释放装置”需要探测到放射性物质发生衰变，才能够被触发并导致猫的死亡。 然而，这个探测过程一定是大量放射性物质发生衰变的统计过程。也就是说，单个衰变的过程发出的放射量太低，是无法被探测器有效探测的，只有大量的放射性物质发生衰变，才能超过探测器的最低阈值。 因此，这个大量衰变事件发生的过程，仍然是一个统计意义上的宏观事件，而非量子理论所描述的微观事件。 最后，探测器来探测放射性物质是否发生衰变，这一事件本身就是一种观察的方式。也就是说，虽然我们没有打开盒子观察内部状态，但是发生衰变与否这一事件，其实在毒气装置被触发的一瞬间就确定下来了。 因此，后续猫的状态也只是自然而然顺延发生的事件，也就没有所谓的存活/死亡的叠加状态了。 因此，量子物理学派敏锐地发现“薛定谔的猫”的漏洞，并且利用量子力学中的波函数的概念，进一步巩固了自身的观点。 结语 虽然经典物理学派在第一次量子巅峰对决中并没有占据优势，而且原本想反驳量子理论而提出的“薛定谔的猫”的思想实验，也意外成为了宣传“量子纠缠”的有趣故事。 然而，经典物理学派仍坚持“物理学必须是实在的，而且物理规律也必须是具有严格的因果性和客观性”这一观点。 因此爱因斯坦并不甘心失败，他正在从经典学派的高手中挑选合适的队友，准备向着波尔所处的量子学派发起第二次量子巅峰对决。 栾春阳 清华大学物理系 |
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