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量子物理学常见的四种误解:薛定谔的猫,没有人懂量子力学……

时间:2023-03-22 11:05:42 科技观察

量子力学是支配原子和粒子微观世界的理论,有其独特的魅力和特点。与许多其他物理学领域不同,它既奇妙又违反直觉,既令人惊讶又令人着迷。将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研究的贡献,引起了极大的兴奋和大量讨论。然而,无论是在聊天论坛、媒体还是科幻小说中,基于量子力学的讨论往往由于许多持续存在的神话和误解而变得混乱。本文列出了关于量子物理学的四种常见误解。1.既死又活的猫埃尔温·薛定谔(ErwinSchr?dinger)可能永远也没有想到,他的思想实验——薛定谔的猫,会在21世纪成为网络红人。实验表明,当一只不幸的猫科动物被困在一个由随机量子事件(例如放射性衰变)触发的杀死开关的盒子里时,只要我们不打开盒子看,猫可能处于一种状态既死又活的同时。我们早就知道,量子粒子可以同时处于两种状态,比如同时处于两个地方。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,在该实验中,单个量子粒子(例如光子或电子)可以同时穿过壁上的两个不同的小缝。我们怎么知道呢?在量子物理学中,每个粒子的状态也是一种波。但是,当我们将光子流一个接一个地发送通过狭缝时,它会在狭缝后面的投影屏幕上形成两种波相互干涉的模式。由于每个光子在通过狭缝时没有任何其他光子可以干涉,这意味着它必须同时通过两个狭缝——干扰自身。然而,要使其发挥作用,穿过两个狭缝的粒子叠加中的状态(波)必须是“相干的”——也就是说,彼此之间有一定的关系。这些叠加实验可以用不断增加的尺寸和复杂性的物体来进行。1999年,AntonZeilinger在称为“巴基球”的大型碳60分子中进行了一项著名的实验,证明了量子叠加。那么这对我们所指的那只可怜的猫意味着什么呢?难道只要我们不打开盒子,它就可以生死存亡吗?显然,猫与受控实验室环境中的单个光子完全不同,后者更大、更复杂。组成一只猫的数万亿个原子之间可能产生的任何干扰都是极其短暂的。但这并不意味着生物系统中不存在量子干涉,只是它通常不适用于猫或人类等大型生物体。2.一个简单的类比可以解释量子纠缠纠缠是一种量子特性,可以将两个不同的粒子联系起来,所以无论它们相距多远,只要测量其中一个粒子,就会立即知道另一个粒子的状态自然。对它的常见解释通常涉及我们传统宏观世界中的日常物品,例如骰子、纸牌,甚至是一双颜色奇特的袜子。例如,假设您告诉一位朋友,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,他们就会知道另一个信封中有一张橙色卡片。但是要理解量子力学,你必须想象信封里的两张牌是联合叠加的,这意味着它们同时是橙色和蓝色(准确地说是橙色/蓝色和蓝色/橙色)。打开信封会随机显示某种颜色,但打开第二张卡片仍会始终显示另一种颜色,因为它会通过远处的幽灵效果与第一张卡片相关联。我们可以强制卡片使用不同的颜色集,类似于进行另??一种类型的测试。这时我们可以打开一个信封,问这样一个问题:“你有绿卡还是红卡?”。答案将再次是随机的:绿色或红色。但重点是,如果卡牌纠缠在一起,另一张牌在问同样的问题时,仍然会出现相反的结果。阿尔伯特·爱因斯坦试图用他自己的经典直觉来解释这一点,即这些卡片可能是由一个隐藏的内部指令集告诉的,当给出一个特定问题时它们应该以哪种颜色出现。其次,他也否认卡片之间明显的“幽灵般的超距作用”,似乎让它们瞬间相互作用,因为这意味着比光速更快的交流,这与爱因斯坦的同一个理论自相矛盾。然而,爱因斯坦的解释随后被贝尔定理(对物理学家约翰斯图尔特贝尔创建的理论的检验)和2022年诺贝尔奖获得者的实验所驳斥。测量一张纠缠卡会改变另一张卡的状态的想法是没有意义的。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相关——正如爱因斯坦所想的那样,它们不会在没有隐藏代码的情况下进行交流。约翰·斯图尔特·贝尔。3.自然是不真实的,非局部的贝尔定理一般被认为证明了自然不是“局部的”,即一个物体不仅直接受其当前环境的影响。另一种常见的解释是,这意味着量子物体的属性不是“真实的”,它们在被测量之前不存在。但是贝尔定理只能支持我们说,如果我们同时假设一些其他条件,那么量子物理学意味着自然既不是真实的也不是局部的。这些假设包括测试只有一个结果(而不是多个,在平行世界中可能只有一个结果)的想法,因果关系随着时间的流逝而变化,并且我们不生活在“时钟宇宙”中。”(一个一切从时间开始就被预先决定的宇宙)。尽管有贝克定理,但如果你允许打破对其他一些我们认为是常识的事物的认知(比如时间向前移动),那么自然是可能是真实的和部分的。与此同时,进一步的研究有望整合和简化对量子力学的大量潜在解释。然而,大多数正在讨论的选项,例如时间旅行或自由意志的丧失,都在至少和放弃部分现实的想法一样荒谬。4.没有人理解量子力学,你根本就不懂。”理查德费曼。这个观点被公众广泛接受。量子物理学被认为是不可能理解的,包括那些物理学家。但从21世纪开始从我们的角度来看,无论是在数学上还是在概念上,量子物理学对科学家来说都不是特别难理解。我们对它的理解如此之深,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,甚至开始创建量子计算机。当用量子信息的语言解释时,叠加和纠缠只需要高中数学。贝尔定理根本不需要任何量子物理学知识,仅使用概率论和线性代数知识就可以推导几行。也许,对我们来说,真正的困难在于调和量子物理学与我们的直觉现实。没有所有的答案并不能阻止我们在量子技术上取得新的进步。也许我们所能做的就是闭嘴计算(Shutupandcalculate)。对人类来说幸运的是,诺贝尔奖获得者Aspect、Clauser和Zeilinger拒绝只是默默地计算和孜孜不倦地探索。也许有一天,像他们这样的人会帮助调和量子特异性与我们的现实体验。