我们应该如何理解量子力学的怪异性？

关于宇宙最令人惊奇的事实就是它是可以被理解的。尽管宇宙十分复杂，但它可以简化为最简单、最基本的组成部分。如果你能确定支配现实的基本规则、定律和理论，那么只要你能确定你的系统在任何时候是什么样子，你就可以利用你对这些定律的理解来预测遥远的未来和遥远的过去会是什么样子。解开宇宙秘密的探索从根本上来说就是迎接这样一个挑战：弄清楚宇宙的组成成分，确定这些实体如何相互作用和演化，然后写下并求解方程式，让你能够预测你尚未亲自测量的结果。

这个想法非常合理，并且非常适用于我们对现实的传统观念。牛顿、麦克斯韦甚至爱因斯坦都对这些想法非常满意。但当涉及到我们的量子现实时——包括宇宙的构成以及自然法则在实践中如何发挥作用的问题，所呈现的现实图景就远没有那么清晰了。事实上，量子力学可以说是我们所发现的最违反直觉的现实图景；如果不是实验和观察迫使我们这样做，我们永远不会编造出它。不过，只要稍微改变一下你的思维方式，你就可以开始理解，或者至少接受我们现实的量子本质。

上图显示不同波长的光在通过双缝时，会表现出与其他波相同的波状特性。改变光的波长以及改变缝隙之间的间距将改变出现的图案的细节。

在量子力学出现之前，我们对宇宙的运作方式有一系列假设。我们假设存在的一切都是由物质构成的，并且在某个时刻，你会得到一个无法再分割的物质基本构成要素。事实上，“原子”这个词本身就来自希腊语ἄτομος，字面意思是“不可切割的”。这些不可切割的物质基本成分都对彼此施加力，如引力或电磁力，这些不可分割的粒子相互推拉的汇合正是我们物理现实的核心。

然而，引力和电磁定律是完全确定性的。如果你描述一个质量或电荷系统，并指定它们在任意时刻的位置和运动，这些定律将允许你以任意精度计算出每个粒子在任何其他时刻的位置、运动和分布。从行星运动到弹跳的球，再到尘埃颗粒的沉降，相同的规则、定律和宇宙的基本成分准确地描述了这一切。

直到我们发现宇宙中还有更多比这些经典定律更复杂的事物。

该图说明了位置和动量之间固有的不确定性关系。当其中一个更准确地被了解时，另一个本质上就更不可能被准确了解。位置和动量都最好用概率波函数来描述，而不是用单个值来描述。其他共轭变量对，包括能量和时间，在两个垂直方向上旋转，或角位置和角动量，也表现出同样的不确定性关系。

1.) 你不可能一下子知道所有的事情。

如果说量子物理规则与经典物理规则之间有一个决定性的特征，那就是：你无法以任意精度测量某些量，而且你测量得越精确，其他相应的属性就变得越不确定。

· 如果能以非常高的精度测量一个粒子的位置，它的动量就会变得不那么为人所知。

· 测量一个粒子在一个方向上的角动量（或自旋），就会破坏其在另外两个方向上的角动量（或自旋）的信息。

· 测量不稳定粒子的寿命，其寿命越短，粒子的静止质量的不确定性就越大。

这些只是量子物理学奇异之处的几个例子，但它们足以说明，你不可能一下子就了解一个系统的所有知识。大自然从根本上限制了任何物理系统可以同时了解的内容，你越是试图精确地确定一大组属性中的任何一个，一组相关属性就变得越不确定。

固有宽度，即上图中峰顶一半处的峰宽，测量结果为 2.5 GeV：固有不确定性约为总质量的 +/- 3%。所讨论的粒子 Z 玻色子的质量峰值为 91.187 GeV，但由于其寿命极短，该质量固有不确定性很大。这一结果与标准模型预测非常一致。

2.) 只能计算结果的概率分布：而不是明确、无歧义的单一预测。

不仅不可能同时知道定义物理系统的所有属性，而且量子力学定律本身从根本上来说也是不确定的。在经典宇宙中，如果你将一块鹅卵石扔进墙上的狭缝，你可以预测它会在何时何地落地。但在量子宇宙中，如果你做同样的实验，但使用量子粒子——无论是光子、电子还是更复杂的东西，你只能描述可能发生的结果集。

量子物理学可以让你预测每个结果的相对概率，并且它允许你对计算能力所能处理的量子系统进行预测。然而，在量子力学中，你不能认为你可以在某个时间点建立你的系统，了解所有可能知道的信息，然后准确预测该系统在未来某个任意时间点将如何演变，这种想法已不再正确。你可以描述所有可能结果的可能性，但对于任何特定的单个粒子，只有通过测量它们可以确定其在特定时刻的属性。

光电效应详细说明了电子如何根据单个光子的波长而不是光强度或任何其他特性被光子电离。当入射光子的波长超过某个阈值时，无论强度如何，电子都会被电离。当低于该阈值时，即使将光的强度调高，也不会有电子被电离。每个光子中的电子和能量都是离散的。

3.) 在量子力学中，许多事物都是离散的，而不是连续的。

这涉及到许多人认为的量子力学的核心：事物的“量子”部分。如果你在量子物理学中问“多少”，你会发现只有某些量是允许的。

· 粒子只能带有特定的电荷：以电子电荷的三分之一为增量。

· 结合在一起的粒子形成结合态，就像原子一样，并且原子只能具有明确的能级集。

· 光由单个粒子、光子组成，每个光子仅具有其固有的特定、有限的能量。

在所有这些情况下，最低（非零）状态都具有一些基本值，然后所有其他状态只能以该最低值状态的某种整数（或分数整数）倍数存在。从原子核的激发态到电子落入 LED 设备中的“空穴”时释放的能量，再到控制原子钟的跃迁，现实的某些方面确实是精细的，无法通过从一种状态到另一种状态的连续变化来描述。

如果在进行单缝双缝实验时测量电子（或光子）通过的缝隙，则不会在其后面的屏幕上看到干涉图样。相反，电子的行为不再像波，而是像经典粒子。在单缝（左）实验中也可以看到类似的效果。

4.) 量子系统既表现出波状行为，又表现出粒子状行为。

至于你得到哪种结果——记住——取决于你是否测量系统或如何测量系统。最著名的例子是双缝实验：让单个量子粒子一次一个地穿过一组两个紧密间隔的缝隙。现在，事情变得奇怪了。

· 如果你不测量哪个粒子穿过哪个狭缝，那么你在狭缝后面的屏幕上观察到的图案将显示干涉，其中每个粒子似乎在旅途中与自己发生干涉。许多这样的粒子显示的图案显示了干涉，这是一种纯粹的量子现象。

· 如果你测量每个粒子穿过哪个狭缝——粒子 1 穿过狭缝 2，粒子 2 穿过狭缝 2，粒子 3 穿过狭缝 1，等等——就不会再出现干涉图样了。事实上，你只是得到了两个“粒子团”，每个粒子团对应于穿过每个狭缝的粒子。

几乎一切事物都表现出波状行为，其概率在空间和时间中不断扩展，除非相互作用迫使它变成粒子状。但根据你进行的实验和实验方式，量子系统会表现出波状和粒子状的属性。

电子既具有波的特性，又具有粒子的特性，可以像光一样用于构建图像或探测粒子大小。在这里，你可以看到实验结果，实验中电子一次一个地通过双缝发射。一旦发射了足够多的电子，就可以清楚地看到干涉图样。

5.) 测量量子系统的行为从根本上改变了该系统的结果。

根据量子力学规则，量子物体可以同时存在于多种状态。如果电子穿过双缝，则该电子的一部分必须同时穿过两个缝，才能产生干涉图案。如果电子位于固体的导带中，则其能级是量子化的，但其可能的位置是连续的。信不信由你，对于原子中的电子来说也是如此：我们可以知道它的能级，但问“电子在哪里”，我们只能用概率来回答。

所以你有了一个想法。你说，“好吧，我要以某种方式引起量子相互作用，要么通过与另一个量子碰撞，要么通过磁场或类似的东西”，现在你有了一个测量值。你知道碰撞时电子在哪里，但关键是：通过进行测量，你现在已经改变了系统的结果。你已经确定了物体的位置，你给它增加了能量，这会导致动量的变化。测量不仅“确定”量子态，还会在系统本身的量子态中产生不可逆的变化。

通过从预先存在的系统中创建两个纠缠光子并将它们分开很远的距离，我们可以通过测量其中一个光子的状态来“传送”有关另一个光子状态的信息，即使是从完全不同的位置。要求局域性和真实性的量子物理学解释无法解释无数的观察结果，但多种解释似乎都同样好。

6.) 纠缠可以测量，但叠加不能。

这是量子宇宙的一个令人费解的特征：你可以拥有一个同时处于多种状态的系统。薛定谔的猫可以同时活着和死去；两波水波在你的位置相撞可以使你上升或下降；量子信息比特不仅仅是 0 或 1，而是可以同时是一定百分比的“0”和一定百分比的“1”。但是，没有办法测量叠加；当你进行测量时，每次测量只能得到一种状态。打开盒子：猫死了。观察水中的物体：它会上升或下降。测量你的量子比特：得到 0 或 1，永远不会同时得到两者。

但是，叠加是不同的效应、粒子或量子态叠加在一起，而纠缠则不同：它是同一系统的两个或多个不同部分之间的相关性。纠缠可以扩展到彼此光锥之内和之外的区域，基本上表明两个不同粒子之间的属性是相关的。如果我有两个纠缠的光子，我想猜测每个光子的“自旋”，那么我猜对的几率是 50/100。但如果我测量其中一个光子的自旋，我就会知道另一个光子的自旋，猜对几率能达到 75/100。没有任何信息交换速度比光快，但在一系列测量中打破 50/100 的几率是证明量子纠缠真实存在并影响宇宙信息内容的万无一失的方法。

电子能级的差异存在于所有原子中，从最简单的氢原子到最复杂的元素。此图显示了镥-177 原子中的能级差异。请注意，只有特定的、离散的能级才是可接受的。虽然能级是离散的，但电子的位置不是。

7.) 有很多种方法可以“解释”量子物理，但我们的解释并不代表现实。

至少在我看来，这是整个努力中最棘手的部分。能够写下描述宇宙并与实验相符的方程式是一回事。以独立于测量的方式准确描述正在发生的事情则是另一回事。

你可以吗？

我认为这是徒劳的。物理学的核心是研究宇宙中你能预测、观察和测量的东西。然而，当你进行测量时，到底发生了什么？这对现实意味着什么？现实是：

· 一系列量子波函数在测量时瞬间“崩溃”？

· 量子波的无限集合，测量是否会“选择”其中一个集合？

· 向前移动和向后移动的势能的叠加现在以某种“量子握手”的形式相遇？

· 有无数个可能的世界，每个世界对应一个结果，而我们的宇宙永远只会沿着其中一条路径走？

如果你认为这种思路有用，你会回答，“谁知道呢，让我们试着找出答案吧。”但如果你和我一样，你会认为这种思路没有提供任何知识，是一条死路。除非你能找到一种解释比另一种解释有实验优势，除非你能在某种实验室环境中对它们进行相互测试，否则你在选择一种解释时所做的只是展示你自己的人性偏见。如果不是证据在做决定，那么很难说你的努力有任何科学价值。

宇宙膨胀期间发生的量子涨落会在整个宇宙中蔓延，当宇宙膨胀结束时，它们会变成密度涨落。随着时间的推移，这导致了当今宇宙的大尺度结构，以及在 CMB 中观察到的温度波动。这是现实的量子性质如何影响整个大尺度宇宙的一个引人注目的例子。

如果你只教别人我们认为在 19 世纪末统治宇宙的经典物理定律，他们会对量子力学的含义感到震惊：没有独立于观察者的“真实现实”！事实上，测量本身就会不可逆转地改变你的系统。此外，自然本身就具有不确定性，量子涨落是一切事物的根源，从原子的放射性衰变到使宇宙成长并形成恒星、星系以及最终形成人类的初始结构种子。

宇宙的量子性质写在了现在存在于其中的每一个物体的表面。然而，它教会了我们一个令人谦卑的观点：除非我们进行测量，揭示或确定我们现实中的特定量子属性，否则该属性将保持不确定，直到那个时候出现。如果你在大学里选修量子力学课程，你很可能会学习如何计算可能结果的概率分布，但只有通过进行测量，你才能确定你的现实中会发生哪种特定结果。尽管量子力学不符合直觉，但一次又一次的实验继续证明它是正确的。虽然许多人仍然梦想着一个完全可预测的宇宙，但量子力学，而不是我们的意识形态偏好，最准确地描述了我们所有人所居住的现实。