21. 是否量子不確定性和非定域性背后存在更深刻的原理？
（Do Deeper Principles Underlie Quantum Uncertainty and Nonlocality?）
（本文來自科學(xué)網(wǎng)張林的博客）
“量子力學(xué)的確令人印象深刻”，阿爾伯特·愛因斯坦在1926年寫道， “但我的內(nèi)心總有一個(gè)聲音在告訴我，這根本不是真實(shí)的?！比欢S著量子理論多年來的不斷發(fā)展和成熟，質(zhì)疑量子力學(xué)的聲音變得越來越小，但直到今天對(duì)量子理論的懷疑其實(shí)并沒有完全停止。在主流認(rèn)同量子理論的贊揚(yáng)聲中，始終還存在著一些質(zhì)疑的聲音。
量子理論誕生于19世紀(jì)末，發(fā)展迅速并很快成為現(xiàn)代物理學(xué)的支柱之一。它以令人難以置信的精確性描述了非常小的微觀物體，如原子、電子和亞原子粒子等，奇異又違反直覺的行為。但量子理論的成功總伴隨著一些令人不那么滿意的東西，因?yàn)榱孔恿W(xué)方程雖然總能給出微觀粒子行為的精確結(jié)果而且總是能與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相互吻合，但量子理論結(jié)果所表達(dá)的物理含義卻始終無法讓人完全理解。
圖1 與量子力學(xué)建立有關(guān)的物理學(xué)家群像
無論你如何看待量子力學(xué)的薛定諤方程，它總會(huì)給出一些讓微觀物體以違背直覺方式存在的狀態(tài)。例如，微觀物體它可以處于一個(gè)“疊加”的狀態(tài)，也就是它可以同時(shí)具有兩種完全不同的屬性或狀態(tài)（Nature (London) 528, 530,2015）。量子力學(xué)的數(shù)學(xué)理論認(rèn)為，只要你不去干擾和觀察某個(gè)處于疊加態(tài)的原子，這個(gè)原子就可以同時(shí)出現(xiàn)在盒子的左邊和右邊。 而且如果觀察者一旦打開盒子，試圖觀測(cè)原子的位置，那這個(gè)疊加態(tài)就會(huì)塌縮，原子就在你觀察到它位置的那一刻立即“選擇”是在左邊還是在右邊。
圖2 量子理論的薛定諤方程
這個(gè)觀點(diǎn)直到今天依然像80年前一樣還是讓人無法理解。當(dāng)時(shí)薛定諤(Erwin Schr?dinge)用一只處于半死半活狀態(tài)的貓作為例子來嘲笑量子力學(xué)所允許的那種匪夷所思的疊加態(tài)。 這似乎是因?yàn)榱孔永碚摳淖兞恕皩?shí)在”的確切性含義。 在經(jīng)典的世界里，一個(gè)物體具有確定的物理實(shí)在性：即使是一團(tuán)氣體，人們也可以用臺(tái)球一樣的剛性小球去描述氣體分子，每個(gè)氣體分子小球每個(gè)時(shí)刻都應(yīng)該具有確定的位置和速度。 而量子理論似乎破壞了這種物體的實(shí)在性。事實(shí)上，直接從量子理論得出的著名的不確定性原理認(rèn)為：物體的位置和動(dòng)量都是模糊和不確定的量，你獲得了其中一個(gè)量的信息就意味著失去了另一個(gè)量的信息?；蛘哒f在實(shí)驗(yàn)室里你要想把一個(gè)粒子的位置限定在很小的區(qū)域內(nèi)，那么它動(dòng)量的漲落就會(huì)變得非常之大而極不穩(wěn)定，相反如果你想方設(shè)法確切測(cè)到了一個(gè)粒子的動(dòng)量，那么它大概率已經(jīng)不在你的實(shí)驗(yàn)室里了，總之你就是無法完整獲得粒子的位置和動(dòng)量信息?；蛘邚牧硗庖粋€(gè)等價(jià)的互補(bǔ)性原理來說就是你選擇測(cè)量其位置（粒子性）時(shí)波動(dòng)性就會(huì)消失，你選擇測(cè)量粒子波動(dòng)性時(shí)其粒子性就不會(huì)出現(xiàn)。
圖3 薛定諤家貓的疊加態(tài)
早期的量子物理學(xué)家是這樣解釋這種粒子的不確定性的，他們認(rèn)為量子理論的薛定諤方程所給出的粒子態(tài)實(shí)際上并不是一個(gè)具有外部實(shí)在性的真實(shí)粒子，而只是一種“概率波”，當(dāng)觀察者進(jìn)行測(cè)量時(shí)，概率波才會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ｗ拥拇_定屬性。所以如果你愿意接受現(xiàn)實(shí)就是概率波而不是實(shí)在的物體這個(gè)觀念（客觀世界并不是完全確定和實(shí)在的，比如可參考所謂的量子互文性理論），那么這個(gè)所謂的“哥本哈根解釋”聽起來還是很有道理的。 但即便如此，它仍然不能解釋量子理論的另一個(gè)奇怪現(xiàn)象：量子非定域性。
1935年，愛因斯坦提出了一個(gè)違反常識(shí)的設(shè)想。 在他的思想實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)粒子向相反的方向飛行，并一直到達(dá)銀河系的兩端。在量子力學(xué)的意義上如果這兩個(gè)粒子是“糾纏”的，也就是這兩個(gè)粒子處于量子力學(xué)所允許的糾纏態(tài)，那么其中一個(gè)粒子就能立刻“感知到”另一個(gè)粒子發(fā)生的改變。 也就是如果測(cè)量一個(gè)粒子的狀態(tài)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)就會(huì)立刻被測(cè)量所改變; 這就好像是說這對(duì)“雙胞胎”可以在一個(gè)非常遠(yuǎn)的空間距離上進(jìn)行一種神秘的信息交流。 這種“非定域性”的行為是量子理論所允許的數(shù)學(xué)結(jié)果，并且已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中得到了實(shí)際驗(yàn)證和測(cè)量。這種幽靈般的作用顯然超越了時(shí)間和距離的限制，是一種完全違反相對(duì)論的超距作用; 理論上，無論這兩個(gè)粒子相隔多遠(yuǎn)，它們之間可以通過測(cè)量而被迅速糾纏在一起。如果說的清晰一些：對(duì)于處于糾纏態(tài)的粒子A和B，我們將它們分別發(fā)送到兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)室甲和乙，如果我在甲地的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量A，我發(fā)現(xiàn)我測(cè)量到的A的態(tài)總是X，和B沒有任何關(guān)系。但忽然我測(cè)量到的態(tài)變成了Y，我感覺很奇怪，然后了解到是因?yàn)橐业氐膶?shí)驗(yàn)人員對(duì)B進(jìn)行了測(cè)量，而且兩地測(cè)量結(jié)果能瞬間發(fā)生關(guān)聯(lián)。也就是說對(duì)B的測(cè)量造成了我這里A態(tài)的改變，而且這種改變似乎是瞬時(shí)的，和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間的距離沒有關(guān)系，這明顯違反了相對(duì)論的定域?qū)嵲谡?，被稱為量子力學(xué)的非定域性。然而這個(gè)看似詭異的行為卻已經(jīng)被相距1.3公里的電子自旋的貝爾（Bell）實(shí)驗(yàn)所證實(shí)（Nature (London) 526, 682, 2015）。當(dāng)然驗(yàn)證違反貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)是否和違反相對(duì)論因果律在理論上等價(jià)，這個(gè)不僅數(shù)學(xué)上復(fù)雜（包括各種非定域性、糾纏度、相關(guān)等等的數(shù)學(xué)概念），而且目前依然存在很大爭論，比如有人質(zhì)疑貝爾不等式具有和坐標(biāo)系有關(guān)的相對(duì)論效應(yīng)等（參考最新成果：Phys. Rev. Lett. 126, 230403,2021），所以量子力學(xué)的非定域性目前看來依然還是個(gè)匪夷所思的事情。
圖4 糾纏的非定域性示意圖
其實(shí)在某種程度上，量子理論的怪異性根本就不是個(gè)問題。量子力學(xué)的數(shù)學(xué)框架本身是完美、自洽和正確的，而且它又能很好地描述所有的微觀現(xiàn)象并能提供準(zhǔn)確的理論結(jié)果，這就可以了。如果我們?nèi)祟悷o法理解物理方程所對(duì)應(yīng)的物理實(shí)在是什么，那又有什么關(guān)系呢？（比如數(shù)學(xué)上的5維空間對(duì)應(yīng)于什么？） 持有這種觀念的人認(rèn)為：對(duì)待量子力學(xué)，我們只需要“閉嘴并計(jì)算”，得到我們需要的結(jié)果就可以了，何必糾纏于結(jié)果到底怎么解釋和理解這樣的問題？ 但對(duì)其他人來說（認(rèn)為物理學(xué)不是純數(shù)學(xué)），我們?cè)诶斫饬孔永碚摲矫娴睦щy是不是暗示著量子力學(xué)背后有更加深刻的東西亟待我們繼續(xù)去挖掘。
除此以外的另一些實(shí)干的物理學(xué)家則忙著設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)，去測(cè)量和檢驗(yàn)量子理論所預(yù)言的各種奇異現(xiàn)象。 他們正在試圖觀測(cè)什么是疊加態(tài)，到底是什么導(dǎo)致了量子疊加態(tài)的“塌縮”。這些研究工作可能會(huì)深入了解測(cè)量在量子力學(xué)中的作用，并可能揭示為什么宏觀物體的行為與微觀物體的行為是如此不同？而有些研究人員則在尋找實(shí)驗(yàn)方法來檢驗(yàn)關(guān)于量子力學(xué)的各種奇怪理論，比如“平行世界”理論，它通過假設(shè)平行宇宙的存在來解釋疊加、糾纏和其他量子現(xiàn)象。通過這些實(shí)驗(yàn)上的努力，科學(xué)家們希望能夠有一天擺脫愛因斯坦所說的“上帝是不擲骰子”的那種不安和困惑。
——Charles Seife 文，張林 譯
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