上帝不會擲骰子？——談談量子力學

亦敵亦友的愛因斯坦和玻爾

-Why are quantum physicists so poor at sex?

-Because when they find the position, they can""""t find the momentum, and whenthey have the momentum, they can""""t find the position!

大約90年前，著名的物理學家薛定諤（Erwin Schr?dinger）就在量子力學領域有了重大突破，薛定諤波動方程表明量子力學中，粒子以概率波的方式出現，具有不確定性。之後，量子理論在無數科學巨人的推動下有了長足的進步，而其中最重要的兩個人就是玻爾和愛因斯坦。

愛因斯坦眼裡的量子力學

早在廣義相對論之前，愛因斯坦就提出了光量子的概念，這直接催生了光的波粒二象性理論，緊接著，量子力學的基礎理論被同時建立起來。只是很長時間裡，這一理論都處於被懷疑的狀態，隨機性成了量子力學的代名詞，同時也是被人討論得最多的一個問題。

早在量子力學誕生以前，以牛頓為代表的經典物理學主張世界上不存在偶然，所有的隨機事件都是可以通過計算預知的。舉個栗子，你和損友在酒吧里玩骰子，骰子點數似乎是隨機分布的，但其實不然，你搖骰子用力的角度、大小等諸多因素控制了點數的大小。理論上，假如知道了所有的這些影響因素，每次你都以相同的狀態搖骰子，每局擲出666也不是什麼難事，包你戰無不勝，走向人生巔峰。當然，人類目前還沒有天才到能控制到一個細節，人工智慧AlphaGo也做不到。

量子力學的誕生對經典物理無疑是顛覆性的，如今的量子理論體系已經變得龐大起來，也有越來越多的實驗結果表明，現代量子理論很可能是正確的，在這個領域中的一切都是關於概率，而不再是完全確定的狀態。

舉例來說，現在我們認為，在這個尺度下，一個光子已經不能繼續細分，所以作為光束中的最小單位，一個光子不能被濾去一部分，只能保持整個存在或者完全消失。也就是說，當一束偏振光（90°）通過偏振片（45°）的時候，光線整體亮度變成了一半，這並不是因為每個光子的能量被濾去了一半，而是因為所有光子通過偏振片的概率成了50%，而且每個光子是否通過並沒有已知規律。

「薛定諤的貓」的提出便是為了更加通俗地解釋這一點：當貓處於50%可能活著，50%可能死去的狀態時，如果不打開盒子（不去測量這個光子是否通過），由於結果的隨機性，它只能被描述成一隻「半活半死」的貓（光線整體亮度是原來的50%），而當打開盒子的一刻（測量這個光子是否通過），它的死活就被瞬間確定了。

非偏正光源穿過豎直方向的偏振片，變成豎直方向的偏振光

更加神奇的是，盧森堡的不確定性原理說明，一個量子的位置和速度不能同時被確定，即當你知道它的準確位置之後，它的速度就有非常大的不確定性，反之亦然，並且滿足關係ΔxΔp≥h/4π（左邊是兩者不確定性的乘積，右邊是一個常數）。

回首過去，實際上，愛因斯坦對量子力學本身有很深的思考，而那句經典的質疑——「我不相信上帝會投骰子」也正是他超越性思考的結果。許多人認為，愛因斯坦是在否認這種不確定性，這也許是我們對他最大的誤解。宏觀世界中，經典物理學已經可以很好地預測物體的各種狀態，但是一旦我們進入微觀物理，就看到了一個充滿隨機性的世界，這使愛因斯坦感到十分困擾。之後他想到，宏觀中的隨機現象實則是一種可以預測的結果，就像空氣中看似隨機飄散的灰塵，其運動一定是複雜的力的作用的結果，類似的，看似隨機的投骰子，也是遵循已知的物理規律的，只是我們之前認知有限，才會覺得它是完全隨機的。同樣，現在看來，量子表現出很強的隨機性，那是否有可能這也是我們自身認知的缺陷導致的呢？也就是說：現有的量子理論可能仍然是不完善的，我們不應該認為微觀世界的隨機現象就是世界的本質，應該試圖建立新的理論來解釋這些隨機性。思考至此，愛因斯坦才說了出那句我們既熟悉又陌生的名言。

什麼是量子糾纏

在劉慈欣的著名小說《三體》中，科技高度發達的三體星人利用量子糾纏的原理製造出了一種超級武器——智子。它實際是一個巨大的智能體系，經過降低維度之後形成了一對糾纏態的粒子，一個被發送到地球，以接近光速的速度獲取情報，並干擾一切人類基礎物理的研究，使得粒子對撞實驗得不出有意義的結果，從而限制人類科技的進步；另一個則是作為它的遙控器，利用量子糾纏的技術瞬間向地球上的那個智子傳遞信息，控制著它的一切活動。那麼，量子糾纏真像大劉所說的如此神奇嗎，可以無視天文單位的距離瞬間傳遞信息？這還要接著從愛因斯坦說起。

在愛因斯坦經歷了對隨機現象的思考之後，他認為當時的量子力學理論存在漏洞，微觀世界的隨機性一定是可以解釋的，於是一邊與當時的量子理論擁護者玻爾發起挑戰，一邊致力於一種大統一理論的建立，試圖找到解釋宇宙萬物的終極理論。而量子糾纏這一概念就是在他和玻爾長達近十年的思想對決中被發現的。

每一次愛因斯坦都試圖在上午提出一個思想試驗來證明玻爾的錯誤，而玻爾也基本都能在晚上給出合理的解答，直到1935年的一天，愛因斯坦通過計算髮現：如果玻爾相信的理論成立，那麼會存在這樣一對粒子，它們能在無窮遠的距離上瞬間影響彼此的狀態，這樣一來，這種信息傳遞的速度將會超過光速，而根據廣義相對論，這是不可能發生的。這個「不可能發生」的作用也被愛因斯坦稱為「spooky action at a distance」，意為「鬼魅一般的超距作用」。

1927年10月，在布魯塞爾召開了第五屆索爾威會議，當時拍下了這張物理史上的最強陣容，大會討論的主要問題就是量子力學正確與否

然而，在2015年，距這一問題提出80年後，量子糾纏的作用被實驗完美證實了。實驗發現，相距1.3km的一對糾纏態的電子在同時觀測時總是呈現為一個正向自旋，一個反向自旋的狀態。隨後，在今年（2017年），中國「墨子號」量子衛星首次把這一實驗距離擴大到了上千公里，量子通信技術彷彿成了可以看到的未來科技。

如果你還記得薛定諤的形象比喻，那麼一個電子的自旋狀態就是那隻貓，不觀測它的時候就相當於貓放在盒子里，處於一半正向，一半反向的狀態（貓「半死半活」的狀態），或者說是50%可能正向自旋，50%可能反向自旋，而一旦觀測之後，就可以看到正反兩種情況隨機出現，且沒有已知規律。這樣一來，實驗結果就很好理解了：彷彿冥冥之中兩個電子（盒子里的貓）之間有了聯繫，不論多遠的距離，同時打開兩個盒子，總會發現一個裡面是死貓，另一個裡面是活貓，這就是所謂的量子糾纏。至此，愛因斯坦的這一論證被完全推翻，這場80年前的對決竟然在不久之前才塵埃落定，而我們對於量子力學的研究又翻開了新的篇章。

把一隻貓放進一個封閉的盒子里, 這個封閉的盒子內放置一個放射性原子、蓋革計數器和毒氣釋放裝置.假定這個放射性原子在一小時內有50%的可能性發生衰變, 衰變時發射出一個粒子, 這個粒子將會被蓋革計數器探測到, 進而觸發毒氣裝置釋放毒氣, 將貓殺死. 那麼, 一小時之後, 這隻貓是死是活呢?

credit：霍開拓知乎

關於物理理論的思考

亞當創造

上千年來，我們的科學觀經歷了無數次推翻和重建的過程，每一次新的發現都會引起我們的思考，找到之前理論的漏洞，就這樣，理論一次次建立，而實驗將其一步步完善。從托勒密堅信的地心說，到哥白尼總結提出日心說，再到現在的宇宙觀，從亞里士多德的重物下落更快，到比薩斜塔驗證自由落體，從相對論衝擊經典物理，到量子力學的重大突破，而如今通過天文觀測我們已經證實了了引力波的存在，真是可喜可賀。然而，現在的物理體系就一定是正確的嗎？每一次推翻都發生在與觀測不符的實驗現象之後，會不會有一天我們發現自己的眼光其實如此狹窄，我們只是「碰巧」建立了這樣一個龐大的體系來自圓其說呢？

而對於所謂的量子通信，其基礎固然是建立在量子糾纏的超距作用之上，但是目前來說，我們做到的不過是一再增加糾纏態的粒子數量（中國科學院製造出了世界上最多的糾纏態粒子，共10個）和它們的作用距離，但是本質上並未傳遞有效的信息。更加值得注意的是，一旦其中一個粒子收到擾動，糾纏態就會被破壞。如何控制糾纏態的粒子，發出人為設計的信息，我們現在還沒有實質性的進展。所以，就廣義相對論來說，目前我們理解的量子糾纏還遠沒有達到超光速傳播信息的能力，所以目前關於光速的說法依然是正確的，而真正的量子通信離我們還很遙遠，可以實現與否還未可知。

宇宙包含的可能性實在太多了，多到我們永遠不可能說自己完全正確。也許微觀到極致之後真的是宏觀，也許每一個微小的粒子裡面都包含了一個宇宙，如此循環往複，無法窮盡，也許真正的多維空間超出了我們的認知，已經不能簡單地通過數學方法來進行類比，也許量子理論也只是宇宙真理最表面的一層皮毛...

對於這個世界，我們還是了解的太少了，可是就算如此，在一個人有限的過程中，這也足夠我們終其一生地學習下去了，這樣想想，又如何不是一件幸事呢。