为什么大多数人没法理解量子物理？
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编者按：量子物理学是人们研究微观世界的理论，也有人称为研究量子现象的物理学。量子概念是1900年普朗克首先提出的，到今天已经一百一十多年了。期间，经过玻尔、德布罗意、玻恩、海森堡、薛定谔、狄拉克、爱因斯坦等许多物理大师的创新努力，到20世纪30年代，初步建立了一套完整的量子力学理论。不过目前看来，我们似乎无法凭直觉理解量子物理。本文译自Medium，作者Tim Andersen, Ph.D.，原文标题为We don’t understand quantum physics，希望对您有所启发。
那是在1935年。
爱因斯坦的名气已接近顶峰。1933年，他离开了德国，后来又过了四年，第二次世界大战爆发。尽管欧洲局势紧张，科学探索却继续经历着前所未有的繁荣，每年都有惊天动地的新发现。
在学术期刊和现场讨论中，当阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）批评尼尔斯·玻尔(Neils Bohr)和海森堡（Heisenberg）对量子实验的解释时，他发现自己与量子物理学巨人存在分歧。与此同时，另一位量子物理学之父，埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger，奥地利理论物理学家），在与爱因斯坦交谈后，发表了他著名的“猫”思想实验，直接攻击了玻尔和海森堡的观点。作为量子理论反直觉的例证，这个思想实验在今天非常流行，但很多人也就是耸耸肩，“那又怎样？”，而另一些物理学家则认为这是不可思议的。然而，它没有回答任何问题。
爱因斯坦以他对真实问题的激光般的洞察力加大了他的攻击力度，然后与波多尔斯基（Podolsky）和罗森（Rosen）合作，发表了一篇关于量子物理学中最著名的实验之一的描述。自那以后，就出现了EPR悖论。EPR悖论(Einstein-Podolsky-Rosen paradox)是E：爱因斯坦、P：波多尔斯基和R：罗森1935年为论证量子力学的不完备性而提出的一个悖论(佯谬) 。EPR 是这三位物理学家姓氏的首字母缩写。这一悖论涉及到如何理解微观物理实在的问题。爱因斯坦等人认为，如果一个物理理论对物理实在的描述是完备的，那么物理实在的每个要素都必须在其中有它的对应量，即完备性判据。当我们不对体系进行任何干扰，却能确定地预言某个物理量的值时，必定存在着一个物理实在的要素对应于这个物理量，即实在性判据。他们认为，量子力学不满足这些判据，所以是不完备的 。EPR 实在性判据包含着"定域性假设"，即如果测量时两个体系不再相互作用，那么对第一个体系所能做的无论什么事，都不会使第二个体系发生任何实在的变化。人们通常把和这种定域要求相联系的物理实在观称为定域实在论。这个悖论一直困扰着试图理解如何解释量子测量的物理学家。
那么，问题到底出在哪里？
它帮助我们回到量子理论的基础论证，即双缝实验。这个实验比其他任何实验都更能说明量子物理是如何偏离经典的。不要用一种特殊的解释来看待它，而要考虑它的设置是什么，你看到了什么，你期望看到什么。
这个实验以一个问题开始：光是由粒子构成的，还是由波构成的？
为了弄清楚这一点，我们需要了解粒子和波之间的确切区别。我们知道，水是由两个氢原子和一个氧原子组成的分子。虽然水可以形成波，但它是由粒子组成的。因此，要理解，如果光是由粒子或波组成的，我们真正的意思是，是否存在光的最小组成部分，它的行为像粒子一样，和水的最小组成部分一样？
量子物理学已经告诉我们，给定频率(即颜色)的光有最小的组成成分。今天我们称它们为光子或光量子。艾萨克·牛顿(Isaac Newton)称它们为微粒，并坚信这些微粒一定存在。它们也被称为波包，这是光的问题之一。它确实是成包的，因为物体（包括单个原子）吸收和发射辐射的方式，我们知道这是真的。
事实上，爱因斯坦用来解释光电效应的正是基于这个事实，而光电效应是太阳能板(将光转化为电)、发光二极管(LED)(将电转化为光)和激光(将多种颜色的光转化为一种颜色的光)的基础，以及是我们如何理解来自恒星的光(吸收光谱)，以及我们如何用质谱仪识别物质的原子成分的基础。
一旦你通过许多实验确定了这个事实，似乎你就确定了光是粒子。但是，如果光是粒子，那么当它作为单个量子发射时，它的行为应该像粒子而不是波。这意味着它不应该绕角折射，也不应该有波阵面扩散。
和许多改变世界的实验一样，双缝实验也违背了直觉。
把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个点光源(从一个点发出的光源)。现在在纸后面再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替的条纹，这就是现在众人皆知的双缝干涉条纹。如果只有一条狭缝，探测器上会形成一个大光斑。但是，当两个狭缝都打开时，我们看到从这两个狭缝中产生的两个圆波阵面相互干涉。有时，两个波阵面同时上升，合并起来上升两倍。有时，一个在上升，一个在下降，这些叠加在一起会产生非常微弱的光或什么都没有。结果就是屏幕上出现了明暗条纹。
如果光线是由单个粒子构成的，我们就不可能看到这种明、暗交替的条纹。因为粒子没有其他干扰,它要么通过右边的狭缝，要么通过左边的狭缝，然后照到屏幕上。
这就证明光具有波粒二象性。
这个实验的设置并不能决定光的行为是像粒子还是像波，就像一些流行的错误解释那样。例如，一些误导性的解释认为，如果你把一个探测器放在一个你可以分辨光穿过的缝隙的地方，它就会表现得像一个粒子。但事实并非如此。不管你的实验是什么，光总是既有波性又有粒子性。你的设置所做的就是决定你测量的光从发射器到探测器的路径信息，因为这决定了你会看到什么。你不会看到粒子同时穿过两个狭缝，但是二象性仍然存在，因为波状的本质并没有停止。
事实证明，所有物质都与光具有相同的二元性。例如，这个实验已经用电子和其他粒子来进行验证过了。
这甚至不是量子理论最奇怪的方面，但我想在这里停下来，因为如果这对你来说是全新的，或者你之前没有深入思考过，你的脑袋可能会有点发懵。
这正是爱因斯坦，波尔，海森堡，十年后的理查德·费曼，十年后的大卫·玻姆和休·埃弗雷特，以及其他人都在试图理解的东西。在探测器上，光线能像粒子一样在一个点上清晰地显示出来，并可能作为一个粒子从发射器发射出来。那么这两者之间到底发生了什么？
在早期，这个争论基本上分为两派：一派认为，粒子在发射器和探测器之间有一个明确的路径和一个明确的状态。这就是爱因斯坦的观点，后来大卫·玻姆和约翰·贝尔会进一步澄清。这种观点被称为不完备解释，也就是说量子理论是不完备的，因为它不能解释发射器和探测器之间单个粒子的行为。
另一派是海森堡的观点，他认为观察行为导致光在一个特定的点上以粒子的形式出现(这被称为波函数坍缩)，而在这中间它实际上像波一样扩散开来。这一解释，在后来的几十年里不知何故被归于尼尔·玻尔的观点，被称为哥本哈根解释，以玻尔的家乡城市命名。这是一个完备解释的例子，因为它说量子理论确实解释了正在发生的事情，但是观察行为在某种程度上超出了量子理论的范围。
玻尔的互补原理与海森堡的略有不同，更接近爱因斯坦的相对论，因为他相信量子粒子不像爱因斯坦断言的那样有明确的隐藏态。波尔认为，被测量的粒子和测量仪器都是进行测量的重要组成部分。也就是说，测量依赖于观察者和被观察者。他的解释没有吸引很多追随者，除了已故的伟大的约翰·惠勒，他说，
玻尔的互补原理是本世纪最具革命性的科学概念，也是他五十年来探寻量子思想全部意义的核心。——《Physics Today16》，(1963年1月)，第30页。
爱因斯坦和海森堡的观点都在后来的岁月里得到了人们的进一步论证。爱因斯坦观点得到了大卫·玻姆的进一步发展，他发展了玻姆理论，这是20世纪20年代早期被称为导波解释的理论的演变。
玻姆的目标是将经典直觉恢复到他认为已经变得过于数学化的量子理论。如果你想要一种直观的方式来理解双缝实验，玻姆理论是足够简单的。它只是简单地引入一种特殊的引导波，引导光粒子到屏幕上的正确位置。因此，我们看到的部分是光的粒子部分，我们只能通过粒子结束的地方间接看到的部分是引导波。这些光粒子就像是漂浮在引导波海洋中的小船，自然地以波浪的形式结束，因为与只通过一条狭缝的粒子不同，引导波同时通过两条狭缝。
另一方面，海森堡得到了理查德·费曼的发展。费曼的观点并不完全等同于哥本哈根解释，但它们很难与玻姆的一致。费曼的观点是，屏幕上的每一个点都是光粒子沿着从发射器到探测器的每一个可能路径运动的结果。光出现在任何给定点的概率是从发射器到该点的所有路径的概率之和。这自然会导致这样的想法：光粒子实际上以某种方式遵循每一个可能的路径，当我们观察到它出现在某一点时，所有与该观察不相容的路径都从存在中消失。
从某种数学角度来看，费曼的观点具有直观意义。如果你熟悉概率和统计学，你就会更理解这一点。在费曼看来，波相互干扰的地方是低概率的地方。波浪相互增强的地方是高概率的地方。费曼的观点是对量子理论的完备解释的一个例子，除了哥本哈根诠释，还有几种方法可以解释。
不过，任何一个理性的人，如果要选择的话，都可能会选择玻姆的解释。
然而，玻姆发现他的解释很难跟上量子场理论的发展，量子场理论是粒子加速器中的量子粒子理论。首先，他的理论与爱因斯坦的相对论不符。更糟糕的是，它无法处理粒子的产生和湮灭问题。约翰·贝尔试图通过在不同的现实(粒子存在或不存在)之间引入突然的随机跳跃来修正玻姆的理论。这很有趣，但带走了玻姆最初的解释所带来的一些好处。
最终，随着量子理论的发展，随着量子场论引入虚粒子，真正的粒子理论的可能性越来越小。这些粒子对宇宙有可测量的影响，但实际上并不存在。量子理论似乎失去了现实的线索，或者，如果你相信一个完备的解释，也许我们的直觉只是一个错觉。
这是一个奇怪的现代物理学的现实，简单实际的理论不能与量子场论的复杂性和抽象性竞争。玻姆成功地取代了令人困惑的，反直觉的概念，即猫在你看它之前既是死的，又是活的，粒子在你看它之前无处不在。事实上，玻姆抹掉海森堡建立的量子理论，并以物理学的早期理解取代它的计划似乎是成功的。但是，最终，他失败了。
伟大的理论物理学家并木干雄(Mikio Namiki)认为，玻姆的解释只是试图发展一种新的量子理论，用一种新的方式把经典物理量子化。并木认为，玻姆的理论虽然是一个有趣的解释，但不能很好地处理复杂的许多粒子系统和场。换句话说，它对于真实的物理来说太脆弱了。
大家可以从一个简单的事实中看出，玻姆的理论，就像牛顿的物理学一样，依赖于绝对时间的存在。原因是，当与许多粒子相互作用时，引导功能必须同时与它们相互作用，以解释量子实验和神秘的纠缠现象。但是我将把这个问题留到以后的文章中讨论。
目前看来，我们似乎无法凭直觉理解量子物理。
译者：Jane
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