标题:探索量子世界的本质：花费过脑力，你就没辜负你的大脑和这个时代
作者:佚名
日期:2024-04-19 14:42:35
内容:
我们需要用更现代的手段、更多的思辨来深入探索量子世界的本质。 我们会讲一些精妙的实验，我会尽力去掉这些实验的技术细节，帮助你直接理解思想，但我希望你也多动动脑筋。 这一切都是值得的！ 如果你把你的脑力花在量子力学上，你就对得起你的大脑，对得起这个时代。
探索世界往往意味着学习越来越复杂的事物。 例如，什么是核武器和核电站，什么是核聚变？ 基本粒子是什么？ 它们的分类和特性是什么？ 就像玩游戏，打开新地图一样，内容越来越丰富。英语作文，每个级别都有更多新的宝藏。 量子力学的前半部分是这样的：我们从一片乌云开始，实际解释为什么世界上的一切都是这个样子。
这一次不是打开新地图，而是解决一个案件：我们要更深入地探索，看看能否挖掘出它的秘密。
这个探索方向有点哲学味道。 我们不得不问一个古今中外思想家都曾问过的问题——
这个世界是真实的吗？
奇怪的世界观
我们假设您刚刚来到地球。 你睁开眼睛，看着周围的一切。 图像和声音清晰，各种物体有丰富的触感，还有人和你互动……但你还是想问一个问题：这是真的吗，还是我在这里？ 做梦呢？
可能有人觉得这个问题有点奇怪。 现实世界和梦境或者游戏中的虚拟世界有区别吗？ 它们是有区别的。 我不知道其他差异，但我知道一个关键差异。 现实世界是客观存在的； 虚拟世界为你而存在。
例如，月亮。 现实世界中的月亮，即使在看不见的白天，也依然勤奋地存在着。 它按它该动的样子，上面的每一粒灰尘都得一丝不苟吧？ 但在虚拟世界中情况并非如此。 游戏只会渲染屏幕上显示的场景。 游戏中有一片森林。 如果此时那片森林里没有玩家，系统就不会营造出那片森林的视觉效果，更不会模拟一片树叶被风吹落的场景。 虚拟世界中的月亮在没人看的时候并不存在——或者至少不像有人在看的时候一样存在，对吧？
事实上，你从不怀疑眼前的世界是虚拟的。 王阳明不是说过吗？ “当你不看这朵花时，这朵花和你的心一起沉默。当你看这朵花时，这朵花的颜色瞬间变得清晰。” 你觉得这看起来像一朵花，是一个游戏，是为你制作的吗？ 渲染了？ 叔本华说，整个宇宙可能是“帕鲁纳神”的幻象所创造的幻象，就是“玛雅之幕”。 笛卡尔还怀疑，如果“我”不思考、不分心、不睡觉，那么“我”可能就不存在。 这些都是合理的，但这些思想家的弱点是他们的假设是不可证伪的。 不管你信不信，你总是没有证据。
我现在想说的是，量子力学为这个问题提供了新的视角。 量子力学是可以被证伪的。
让我们想象这样一个场景。 你发现两枚一美元硬币，一枚是 2019 年制造的，另一枚是 2020 年制造的。除了上面写的年份之外，它们一模一样。 你双手合十，将手掌中的两枚硬币摇晃几次，然后将它们分开，每只手各握一枚硬币。
现在请闭上眼睛，想想接下来会发生什么。
你不知道哪只手拿着哪枚硬币。 你张开左手，发现里面有一枚 2019 年的硬币。 所以你马上就知道你右手里的硬币一定是2020年的硬币。
这是一种常见现象，但可以用两种方式来解释。
第一个解释是，当你的左右手分开时，在你张开左手看之前，哪枚硬币在哪只手上的结果就已经确定了。 你后来看到你左手上的硬币是2019年的硬币，只是因为你左手上的硬币“本来”是2019年的硬币——这个结果与你“看到”的动作无关。 如果真是这样，我们就可以说世界是一个“客观现实”。 这就是我们的“古典”世界观。
第二种解释是量子世界观。 也许当你的左右手分开时，哪一枚硬币在哪只手上……在你张开左手看之前，是不确定的。 就是当你张开左手的时候，你左手的硬币瞬间“变成”了2019年的硬币贝尔物理学家，然后它立刻给右边的硬币发了一条通知，说我的地方已经变成了2019年，而你的样子在那边只能是2020年了！ 右边的硬币得知这个消息并表示遵守，所以当你再次打开它在右手上时，里面一定有一枚2020年的硬币。
您认为这种量子世界观给人一种强烈的虚拟感吗？ 与经典世界观相比，它有两点奇怪。
首先，币龄是一个根据你的观察暂时确定的属性。 在你张开左手看它之前，你不仅“不知道”它的年份，而且它根本“不”有“年份”这个属性。
其次，左手钱币在确定了年份属性的那一刻，实际上就向右手钱币发出了一条消息，右手钱币立即收到并采取了行动。
这可能吗？ 硬币大小的东西肯定不可能是这样的。 但我们要展示的是，微观世界中的事物，比如光子和电子，都是这样的。
“隐藏变量”和“幽灵般的远距离作用”
正如我们前面提到的，量子力学认为，电子必须同时通过两个狭缝并与自身发生干涉，才能在屏幕上产生干涉条纹。 这意味着在你测量之前，电子的位置是一种“叠加态”：未被观测到的电子根本没有明确的“位置”。 后面你要观察它的位置，给它一个位置。 同样，电子最初“没有”自旋。 您必须沿着某个方向进行测量才能测量该方向上的旋转。
测量结果完全不确定。 为什么这个电子落在屏幕上的这个位置而不是其他地方？ 怎么这次又转起来了？ 没有理由。 两个铀原子放置在您的面前。 5 分钟后，其中一个腐烂，另一个则没有。 为什么是这样？ 量子力学认为这是没有理由的。 这是一个纯粹的随机事件。
但古典世界观的支持者却不这么认为。 爱因斯坦会告诉你，两个原子之一衰变而另一个没有衰变的原因是它们有一些你不知道的不同之处。 无论是电子的自旋，还是电子怪异的干涉行为，背后都有一些更微妙、隐藏的因素在起作用。 就像天气预报说“明天下雨的概率是30%”，这并不是说下雨不下雨是完全随机的，只是因为我们的信息收集和技术手段不够全面：如果你像上帝一样无所不知、无所不能，是的，你知道所有相关因素，你可以准确预测明天是否下雨。
这就是所谓的“隐变量”视角。 隐变量观认为电子与日常生活中的物体是一样的。 它的位置、动量、自旋都可以根据一些隐变量随时改变，但它们总是清晰存在：只是因为你没有掌握那些隐变量。 ，你认为结果是随机的。 爱因斯坦有句名言：当没有人看到月亮时贝尔物理学家，你真的认为它不存在吗？
这两种世界观的直接碰撞，就是爱因斯坦和玻尔在1935年最后一次辩论中提出的“EPR悖论”。让我用最简单的语言再次向大家解释一下这个悖论。 例如，我们将两个原本在一起且相互关联的电子分开，一个向南，另一个向北。 它们的初始总角动量为0。当它们已经相距很远时，你测量南边电子的自旋，得到的结果是自旋向下。 那么根据角动量守恒定律，北边的电子自旋一定是向上的。
这和我们刚才提到的两个币是同样的操作。 对此有两种解释。
量子力学的解释是，南方的电子本来没有自旋，但是当你测量这个作用时，它随机地赋予它向上的自旋，因此北方的电子立即获得了确定的向下自旋。
爱因斯坦认为这是不可能的。 两个电子相距这么远，怎么可能一个电子改变另一个电子立即改变呢？ 一件事如何能在瞬间影响千里之外甚至无限远的另一件事呢？ 这不是“鬼魅”的“远距离行动”吗？
所以爱因斯坦的解释是，这就像猜硬币一样常见。 两个电子总是有自旋。 根据某种隐变量，有时一个向上，另一个向下，有时这个向下，另一个向上。 因为它们本来就是一起变的，根本不需要协调。 如果您认为您偶然观察到向上的结果，那只是因为您不了解隐藏变量。
当时争议尚未解决。 这两种解释似乎都成立，但人们想不出任何方法可以通过实验来证明。 “鬼影远行”就等于说世界是虚幻的。 这似乎是一个很难证伪的理论......
直到近三十年后，才有人想出办法证明这一点。
贝尔复出
约翰·贝尔（John）1928年出生于爱尔兰，爱因斯坦提出EPR悖论时他只有7岁。 贝尔是欧洲核子研究中心的理论物理学家，主要业务是加速器设计。 贝尔一直对量子力学很感兴趣，但他不好意思告诉别人。
为什么？ 因为在贝尔的全盛时期，量子力学已经不再是物理学的主流话题。 过去几十年，是第二次世界大战和美苏冷战。 原子弹让各国政府见识到了物理的力量。 物理学家都是炙手可热的，他们不断地用越来越多的资金开辟新的地图。 加速器已被用来创造各种新物理，而激光和半导体已被用来创造各种有价值的应用。 与那些话题相比，量子力学就显得老套、幼稚了……
也许更重要的是，早在1932年，早在爱因斯坦发动最后一击之前，冯·诺依曼就出版了一本名为《量子力学的数学基础》的书，声称已经从数学上严格证明了量子力学是对的，潜变量理论是错误的。 冯·诺依曼是谁？ 他是大神中的大神，天才中的天才，聪明，勤奋，几乎无所不能，风格优雅。 据说，冯·诺依曼博士论文答辩时，衣着考究，以至于有老师忍不住问他的裁缝是谁。 当冯·诺依曼说量子力学是一个完整的理论时，其他物理学家认为问题已经解决了。
贝尔只是一个出身贫困家庭的普通人。 据说，他曾在物理系当技术员，因为付不起大学学费，教授们只好借书给他。 他对问题思考很深，平时是个很安静的人，但有时也喜欢和别人辩论。 他曾经直接说老师在量子力学课上不诚实。 贝尔发现了冯·诺依曼书中的一个严重错误。 贝尔说：“冯诺依曼的证明不仅是错误的，而且是愚蠢的！” 贝尔认为，必须验证EPR悖论才能真正证明量子力学。
1964年，贝尔在休假期间写了一篇论文，提出了一种验证EPR悖论的方法。 他甚至不敢将论文发表到主流物理期刊上，故意发表在不太出名的期刊上。
这篇论文还是被很多人看到了，但是并没有产生惊天动地的效果。 直到八年后，有人做了实验证实了贝尔的理论，但即便如此，它也没有成为热门话题。 大概是20世纪90年代以后，主流物理学的突破越来越慢，物理学家的兴趣开始分散，人们又对量子力学产生了兴趣。 今天任何一本关于量子力学的书都必须提到贝尔的证明。
贝尔从未告诉任何人他是如何得出这个证明的。 这真是一个巧妙的证明。