量子力学的真相

　　何谓真实是物理学需要解决的问题。

　　——阿尔伯特·爱因斯坦

　　01

　　近90年来，量子力学始终是我们理解自然世界的核心理论。它无处不在，但也极度神秘，缺少了它，几乎所有现代科学都会变得毫无意义。然而，人们至今仍然很难就量子力学能够给出何种关于自然世界的论断达成一致意见。

　　量子力学解释了原子的存在、为什么原子能保持稳定，以及为什么不同的原子拥有不同的化学性质，量子力学还解释了原子之间如何互相结合形成各种各样的分子，因此，量子力学成了我们理解分子结构和分子间相互作用的基础，我们无法想象如果没有量子力学我们要如何理解生命。

　　从水的外在表现到蛋白质的内在结构，再到由DNA和RNA完成的信息传递和信息保真，生物学中的一切都依赖量子。

　　量子力学解释了物质的性质，比如是什么让金属成了导体，而让另一些物质成了绝缘体。量子力学还解释了光和放射性，这是核物理学的基础。

　　没有量子力学，我们就无法理解恒星是如何发光的，也无法发明电子芯片或激光，而我们有许多技术以芯片或激光为基础。

　　量子力学是我们用来书写量子物理学标准模型的语言，它包含了我们所知的有关基本粒子及其赖以产生相互作用的基本力的一切。

　　根据我们目前研究早期宇宙的最优理论，所有物质以及所有最后合并成了星系的物质结构，都会在早期宇宙快速膨胀的过程中因真空空间的量子随机性而突然诞生。你或许无法精确理解这番话背后的含义，但或许可以在脑海中生成一幅大概的画面。无论如何，倘若这就是事实，那么如果没有量子物理学，一切都将不存在了，只会剩下空空如也的时空。

　　尽管量子力学取得了如此辉煌的成就，其核心仍是一个极难解决的谜题。

　　02

　　量子世界的行为方式对于我们的直觉来说是一种挑战。你常常可以听到这样的说法：在量子世界中，一个原子可以同时处于两个地点，但这还只是量子世界怪异性的开始，这种理论的完整描述可比这一说法奇怪得多。

　　如果原子可能在这里，也可能在那里，那么从某种程度来说，我们就必须称它的状态是同时处于这里和那里，即原子处于一种“叠加态”（superposition state）。

　　如果你是刚接触量子世界，你一定会好奇“原子在某种程度上同时处于这里和那里”是什么意思。对这一问题提出质疑是明智之举，因为这正是量子力学的核心谜团之一。就目前来说，你只需要知道这是量子力学的未解之谜，并且我们创造了一个叫作“叠加态”的术语就行了。

　　接下来，我们就会揭开它的神秘面纱。

　　当我们说某个量子粒子处于既在这里又在那里的叠加态时，我们指的是物质那种像波一样的性质。因为波是一种可以扩散出去的扰动，所以当然可以既在这里又在那里。

　　我们刚刚谈论的是基本粒子，但其实包括原子和分子在内的任何量子都既有粒子的性质，又有波的性质，这就是所谓的“波粒二象性”。

　　我们可以通过下面这个例子细细品味这种特性背后的含义。如果我们通过实验寻找某个原子，得到的结果会是它在确定的某处。然而，在各次测量之间，也就是当我们不去寻找这个原子的时候，我们就不可能准确预测它的位置。这就像是找到粒子的概率或倾向在我们没有寻找它时像波一样扩散开来，但只要我们再次搜寻，它就一定会出现在某处。

　　你可以想象我们在和原子玩捉迷藏。我们“睁开眼睛”——启动探测器，接着就观察到了它出现在某处，但当我们闭上双眼时，它就扩散成了一道概率波，而当我们再次“睁开眼睛”时，原子就一定会再次在某处出现。

　　03

　　量子世界特有的另一大特征叫作“纠缠”。

　　如果两个粒子发生了相互作用，然后又分开，它们仍会共享某些性质，而且这些性质不能拆分成可以分别由这两个粒子单独享有的形式。从这个意义上说，虽然它们分开了，但仍交织在一起。

　　那些测量仪器则是我们所熟悉的世界中的“大型物体”——我们日常生活中常见的事物。我们可以确定的一点是：日常生活中常见的这些大型物体不会表现出量子力学所描绘的那种奇怪行为。

　　图源电影：《源代码》

　　椅子要么在这里，要么在那里，从来不会处于既在这里又在那里的叠加状态。当我们于夜晚在陌生的旅店房间内醒来时，我们或许无法确定椅子在哪儿，但却可以肯定它就在房间中的某处。即使我们在黑暗中碰到这把椅子，我们的未来也不会和这把椅子的未来发生纠缠。

　　我们知道，在我们生活的这个世界中，一只猫要么是死了，要么还活着，哪怕把它锁在箱子里，情况也仍是如此。当我们打开箱子时，猫不会突然从既死又生的叠加态坍缩成或死或生的确定状态。如果打开箱子后，我们发现猫死了，那么它很可能已经死了一段时间了，我们甚至可以在打开箱子的那一刻闻到相应的气味。

　　普通物体看起来并不具有构成它们的原子所具有的那些怪异的量子性质，这似乎是显而易见的，但却引发了一个谜一样的问题。既然量子力学是自然世界的核心理论，那么，它就一定是普适的，也就是说，如果它适用于一个原子，就必然适用于更多的原子，我们有确凿的实验证据能够支持这一点。

　　那些把大分子置于量子叠加态的精细实验向我们展示了，这些大分子所具有的量子怪异性与电子并没有什么不同，至少，它们都会像波那样发生干涉和衍射。

　　量子力学应该也适用于那些巨量原子的集合体，比如由原子构成的你、我、猫、椅子等，但事实似乎并非如此。量子力学似乎也不适用于任何我们用来给原子成像并揭示原子的量子怪异性的工具和仪器。这又是怎么回事呢？

　　需要指出的是，我们通常是运用大型设备来测量原子的某种性质的，那么，这些接受测量的原子很有可能处于叠加态，也就是同时处在不同的地方，因此，我们提出的这个问题有诸多可能的答案，但测量仪器总是只给出其中之一。为什么会这样？为什么量子力学在我们用来测量量子系统的那些设备上失效了呢？

　　这就是所谓的“测量问题”，自20世纪20年代以来，这个问题一直争议不断并且仍未得到解决。即便经过了这么长时间，专家们仍没能在这个问题上达成一致。这个事实意味着自然世界中有一些基本知识是我们尚未理解的。

　　因此，量子世界（原子可以同时处于多个地点）与寻常世界（所有事物在某一时刻都必然处于某个确定的地点）之间必然存在一条边界，越过这一边界，情况就会发生转变。

　　如果一个由10个或90个原子构成的分子可以用量子力学描述，但一只猫不行，那么这两者之间必然存在一条分界线，而这一分界线就是量子世界的终点。测量问题的答案会告诉我们这条分界线在哪，并且会解释这种转变是如何发生的。

　　（注：以上内容摘自《量子力学的真相》）

　　在《量子力学的真相》一书中，斯莫林教授用3幕故事带领我们走进量子力学的世界，了解那些自量子力学诞生以来就一直困扰着人们的概念问题和严重分歧。

　　第一幕，他会讲述我们在探究量子力学发展轨迹时所需的基本的量子力学概念。第二幕，他将带我们追溯了从 20 世纪 50 年代开始的现实主义量子力学方法的复兴，并且阐述它们的优缺点。斯莫林认为：正确且完备的量子力学理论不仅能够解决量子引力的问题，还能给出一套完整的宇宙学理论。第三幕，斯莫林将介绍包括自己在内的当代物理学家为构建现实主义的万物理论所付出的努力。

　　End

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