不妨学点量子力学

　　当你测量一个物理量时，这个物理量是不是必然有一个确定的值，等着你去测？乍听起来，这根本算不上一个问题，这不是理所当然的吗？实际上，这体现的是经典力学的世界观。而在量子力学看来，有些物理体系的有些性质在被测量之前并没有确定的值，我们所测得的值是在测量一瞬间随机产生的。

　　要深入理解其中的原理，奥地利籍物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）所著的科普读物《光子之舞》值得推荐。蔡林格与另外两位教授一起获得2022年诺贝尔物理学奖的原因，正是通过实验否定了经典力学的世界观。

　　一切还得从爱因斯坦说起。

　　爱因斯坦最广为人知的成就是提出了相对论。其实，他对量子力学的建立同样功不可没。他提出的光量子假说是量子力学的基本概念之一，并且因此获得了1921年诺贝尔物理学奖。

　　是的，爱因斯坦并不是因为相对论获奖的，他获奖的原因是量子力学。

　　可随着量子力学理论基本框架大体成型，他却越来越不满意，并开始质疑量子力学本身的完备性。

　　关于量子力学，最广为人知的一个理论就是“薛定谔的猫”。

　　生活中，一只猫只能处于“死”或“活”两种状态之一。但是按照量子力学，对于微观世界的一只“猫”，如果我们不去“看”这只猫到底是死是活，它在某些特定条件下就可以处于一种“死”与“活”的叠加状态。换句话说，在这种情况下，猫的生死是完全不确定的。这种不确定性并不能随着观测手段的提升而变得确定，这就是量子叠加，也就是所谓的“上帝掷骰子”。

　　量子叠加已经非常奇怪了，可如果把量子叠加扩展到多体系统，就会出现一种更奇怪的现象，那就是量子纠缠。

　　仍然用猫来打比方。如果量子世界中存在两只猫，它们甚至可以处于“活活”和“死死”两种叠加状态。而且，在这种状态下的两只猫，尽管每一只的生死都是不确定的，但如果我们去“看”其中一只，并发现它是活的，那么另一只就会瞬间“坍缩”到“活”的状态。反之亦然，即使这两只猫所处的位置相去甚远。也就是说，这两只猫的生死状态存在完美的关联，仿佛“纠缠”在一起，这也正是量子纠缠一词的由来。

　　显然，爱因斯坦不满意量子力学竟然可以允许这种奇怪现象的存在，于是他和两位同事在1935年发表的一篇论文中进行了一番推理：

　　假设爱丽丝和鲍勃两个人分别去观测这两只猫的生死。如果他们观测的时间间隔非常短，以至于宇宙中飞行速度最快的光都来不及在两人之间“通风报信”，那么他们各自的观测结果可以被视作完全独立，这在物理学上被称为“类空间隔”。但问题是，即使在类空间隔情况下，人们也可以利用量子纠缠观测结果的关联性，精确“预言”出另一个人的观测结果。也即，如果爱丽丝看到她那边的猫是“活”的，她就可以确定，鲍勃那边的猫也一定是“活”的。反之亦然。

　　因此，对于两个完全独立的观测事件，爱丽丝可以精确预言鲍勃每一次的观测结果。这只能解释为，鲍勃的观测结果即鲍勃那只猫的生死，是在观测前就已经确定好的，而根本不是量子力学所描述的“是不确定的”。这就是爱因斯坦所坚持的“定域实在性”。

　　不过，也有一派研究者坚定认为量子力学具有“非定域性”。尽管两种观点完全不同，但都能够解释量子纠缠观测结果的关联现象，因此这一争论一度只能停留在哲学层面。

　　一直到将近30年后的1964年，北爱尔兰物理学家约翰·贝尔提出了“贝尔不等式”，才提供了通过实验检验这两种观点孰是孰非的可能。简而言之，对两个粒子的各种测量结果可以组合出一个不等式，如果“定域实在性”正确，那么这个不等式一定成立；反之，如果违背贝尔不等式，那么“定域实在性”就错了。而按照量子力学的预言，从量子纠缠态出发，应该可以找到某种违背贝尔不等式的组合。

　　接下来就是实验验证了。从20世纪70年代起，以蔡林格教授等3位诺奖得主为代表的物理学家开展了大量实验，越来越严格地验证了对贝尔不等式的违背，从而证明了量子力学的正确性。

　　此后，物理学家们除了在量子物理基础领域继续探索外，又通过实验验证发展出了主动精确操纵量子状态的技术，使得人们可以利用量子状态实现对信息的编码、调制、传输和测量，从而催生了一门全新的学科——量子信息。从原理上看，量子信息可以提供安全的通信、超快的并行计算能力以及超高的测量精度，将为信息科学、物质科学、生命科学，乃至探索宇宙的奥秘带来革命性的突破。

　　尽管很难，但了解一点量子力学知识，还是很有必要的。

　　于大的方面来说，理解量子力学发展脉络有助于我们理解科学领域的新进展。比如，量子信息作为当今物理学发展最前沿的领域之一，应用端倪已显现。特别是当中国科学家和工程师团队通过“墨子号”量子科学实验卫星和地面光纤干线，将量子通信推进到数千公里的规模，全世界都感受到了量子信息的未来。由此，量子通信也迎来了从梦想走向现实的曙光。如果有了量子力学的基础知识，至少你可以想象量子通信将如何改变我们未来的生活，理解科研机构投入大量人力物力推动量子信息研究的战略意义。

　　于小的方面来说，学点量子力学知识也有助于我们在阅读科幻小说时更加如鱼得水，让娱乐变得更有质量。比如，很多科幻作品中都出现过远距离传送的场景，例如《星际迷航》系列。其操作方法通常是，先对要传送的人或物体做扫描，然后根据获取的信息，在远处重建出这个物体。这会带来一个伦理问题，假如在远端重建了一个“我”，不就有两个“我”了吗？原本的“我”和重建的“我”究竟谁才是真的呢？但如果你了解什么是“量子隐形传态”，你就会明白，“扫描重建”根本行不通，真正有科学支撑，有可能在可预见的未来实现的是“状态的转移”。原来，根本不会有两个“我”，从头至尾，有且只有一个。

　　下次如果再有人说什么“遇事不决，量子力学”“脑洞不够，平行宇宙”，可以骄傲地以一名量子力学爱好者的身份告诉他：“哦！别扯！” （本文来源：经济日报 作者：肖 瀚）