量子物理学的世界真相（量子物理学中最大的神话）

来源：老胡说科学

• 许多世界对量子力学的解释认为，存在着无数个平行宇宙，它们包含了量子力学系统的所有可能结果，而进行观察只需选择一条路径。这种解释在哲学上很有趣，但在实际物理中可能没有任何价值。

在日常生活中，有一些我们认为理所当然的规则:例如因果关系。某件事发生了，而这又导致其他事情的发生取决于开始时发生了什么。不同的原因导致不同的结果。但在量子物理中，标准规则是完全不同的。你甚至不能将起始点定义为任意的精度，因为系统的某些特性具有不确定性。没有一种可预测的、确定的方法来描述系统如何随时间发展，只有一组可以计算的概率。而且，如果你做了足够确定的测量、观察或互动，你会看到一个结果:你正在寻找的效果。但是进行测量、观察或交互的行为从根本上改变了系统的状态。

如何解释这种行为一直是近一个世纪以来争论的主题。然而，这个决议可能会让任何遇到它的人感到不安。尽管听起来令人费解，解释可能正是阻碍我们真正理解量子现实的东西。

• 如果已知氢原子中电子的能级和其他性质，你只能得到电子在任意时刻的概率分布。测量的行为会给你一个结果，但在你测量之前，电子的位置是不确定的。

以薛定谔的猫为例。把一只猫放在一个盒子里，盒子里有一个放射性原子。如果原子衰变，就释放出有毒物质;猫吃了它就死了。如果原子不衰变，毒就不会释放;猫的生活。这个类比让薛定谔非常烦恼，因为在因果关系规则下，猫要么是活的，要么不是。原子衰变了还是没有衰变，有毒物质释放了还是没有释放，猫死了还是没死。但是，如果你不进行测量、观察，猫必须处于叠加状态，这意味着猫同时是活的和死的。无法知道动物是死是活，并坚持认为它是两者的混合体，是量子怪异的经典例子。

• 在盒子里，猫不是活的就是死的，这取决于放射性粒子是否衰变。如果这只猫是一个真正的量子系统，它既不是活的也不是死的，而是两种状态的叠加，直到被观察到。

另一个，这不是类比，而是一个实际的实验，向一个包含两个狭缝的势垒发射单个电子，这两个狭缝之间只有很短的距离，后面有一个屏幕。常识告诉你电子应该通过左侧缝或右侧的狭缝,如果你连续许多这样的电子,你应该得到两束:一个对应于电子穿过左缝,另一个对应于那些经过了右侧的狭缝。但事实并非如此。

• 电子通过双缝的波型，一次一个。如果你测量电子通过哪个狭缝，你就破坏了这里显示的量子干涉图样。请注意，揭示干涉图样需要一个以上的电子。

相反，你在屏幕上看到的是一个干涉图样。这些单个的电子表现得像波，这些图案看起来就像你通过一个双缝发射连续的光波，或者甚至是通过一个有两个缝隙的水箱发射水波。

• 用光做的双缝实验产生干涉图样，就像对任何波那样。不同颜色的光的性质是由于它们的波长不同。

但是这些都是单电子!在任何给定的时间点，它们在哪里?它们经过了哪个狭缝?

你可能会想在每个狭缝处设置一个探测器，来测量每个电子经过哪个狭缝。你可以这样做:1号电子穿过右边的狭缝、# 2左、# 3离开、# 4是右边、5号往左走，以此类推。但是现在，当你看屏幕上的电子图样时，你不会得到之前的干涉图样。你只能得到两束。在某种程度上，观察、测量或强制交互的行为已经改变了结果。

如果你测量一个电子穿过哪个狭缝，你不会在它后面的屏幕上看到干涉图样。相反，电子的行为不是波，而是经典粒子。

这种量子的怪异不仅令人不安，而且还无法清楚地解释到底发生了什么。一种方法是创造量子力学的解释。有很多例子说明人们试图理解这里发生的事情。它们包括：

在哥本哈根的解释中，认为量子波函数在进行定义测量之前在物理上是没有意义的，并且只有当你进行这样的测量时才会发生的概率才会被赋值，这样的测量会“折叠”波函数，

“多世界”的解释，认为量子态与环境相互作用，产生纠缠和越来越多的可能结果，其中存在指数级的平行宇宙来容纳每一个可能的结果，

在集成解释中，你想象有无数个相同的系统以相同的方式准备好，然后进行测量，简单地选择一个结果作为“真实的结果”

导波解释(粒子总是存在并有位置)是由波函数引导的，这意味着“导波”是确定的，由隐藏变量控制，这些隐藏变量在本质上必须是非局部的(同时影响断开的时空点)，

和其他很多。一系列的解释，以及对它们固有的现实本质的不同假设，如下所示。

• 各种各样的量子解释及其不同的分配的各种性质。尽管它们之间存在差异，但目前还没有实验能够区分这些不同的解释。

但是对于这些解释，一个还没有被排除的例子，一个固有的困难出现了:还没有设计出一种实验能让我们区分彼此。量子力学的物理理论是独立存在的，不管我们如何解释它。换句话说，量子理论的工作原理完全正确，量子算子作用于量子波函数，精确地给出了可能出现的结果的概率分布。当你做相关实验时，你所应用的解释是完全不相关的。

• 量子隐形传态，一种被错误地吹捧为比光速还快的效应。在现实中，没有任何信息交换比光快。然而，这种现象是真实存在的，并且符合所有可行的量子力学解释的预测。

尽管如此，物理学家、哲学家和坐在扶手椅上的学生仍在争论各种各样的解释，仿佛它们有不同的物理含义，而实际上，这可能只是类似于古代盲人摸象的故事。正如《哥本哈根解释》的起草人尼尔斯·玻尔本人所认识到的:

古往今来，宗教一直以形象、比喻和悖论的形式出现，这一事实简单地说明，没有其他方式来把握它们所指向的现实。但这并不意味着这不是一个真实的现实。把这个现实分成一个物体和一个主观的方面不会让我们走得太远。

虽然许多人都有自己喜欢的解释，但对大多数人来说，它们只是增加了困惑，而不是阐明了一切。必须添加的各种解释可能并不能说明真实是什么，而是表明，在真正理解和理解我们的量子宇宙时，我们人类的感知和直觉是多么有限。虽然我们可以设计实验来突出或说明某一特定解释的行为，但它们都不能告诉我们任何关于宇宙属性的额外信息。

像“量子物理是如何工作的?”或者“量子理论中的数学对象代表了什么?”但这些，可以说，更多的是关于我们和我们的偏见以及对宇宙的假设，而不是宇宙本身的现实。在自然界中，我们能观察到的东西非常少:粒子的性质，如位置、动量、截面、散射振幅和单个量子态，基本上就是这样。问一些关于现实本质的问题，假设真实的现实符合某些符合我们直觉的规则，而事实可能恰恰相反。我们对现实的感知是由我们有限的感官和能力所决定的，任何真正支配宇宙的规则对我们来说都可能比我们的头脑所能想到的更加陌生。

• 多次连续的Stern-Gerlach实验，根据自旋将量子粒子沿一个轴分裂，将导致磁分裂在垂直于最近一次测量的方向，但不会在相同的方向上产生额外的分裂。

量子物理学之所以引人入胜，部分原因在于量子宇宙的行为与我们的日常经验有多么不同。一切都可以表现为波或者粒子，这取决于你对它做了什么;宇宙是由不可分割的量子组成的;我们只能预测结果的概率，而不是单个结果;量子物理在时空上是非局部性的;它的影响只在最小的尺度上最为明显。这可以说是我们发现的关于宇宙最奇怪的事情。

然而，我们还是忍不住把自己加入到这个等式中来，这也许是由于“观察”、“测量”和“互动”这些难以定义的术语。把我们自己从它里面拿出来，我们所拥有的就是物理宇宙给出的方程、结果和答案。物理学无法回答有关“为什么”宇宙会以这种方式运行的问题;它只能解释它是如何工作的。如果你对现实的基本本质感兴趣，问宇宙关于它自己的问题，当它告诉你它的秘密时，倾听。你在上面的任何东西都是你放上去的，不是宇宙放上去的。避免这种诱惑，你就永远不会落入关于量子物理学最伟大的神话:它需要一个解释。