真的可以来试试量子力学量子力学可信吗 _小知识

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量子世界的神秘之处在于，它所描绘的实事是在人类宏观感知下无法识别的。为了解释这些反常识的东西，物理学家提出了许多理论、各种诠释。如今这些专业术语随着量子科技的发展已经逐渐渗透到了大众视野，“纠缠”、“测量”、“退相干”，等等，神秘且晦涩。但本文尝试不用数学公式来解释，而是化身一名观察者进入二维世界，看看量子世界里“抛硬币”是什么样，以帮助我们理解量子力学。
撰文 | 董唯元
God does not play dice with the universe.
——爱因斯坦
“遇事不决，量子力学”，这话说得好像量子力学是门抛硬币的学问似的。而实际情况呢？呃……其实差不多还真是这样。许多量子力学的神秘表现，都可以通过一个抛硬币的场景来辅助理解认识。
量子世界与经典世界最显著的差别，就是那些在经典世界中非此即彼的不同状态，在量子世界中却变成了同一状态的不同侧面。就像在空中旋转的硬币，正面向上和背面向上的两种状态同时存在其中。或者更准确地说，空中的硬币其实处在“转动态”，它由“正面态”和“背面态”叠加而成。

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当然，这个比喻也有不恰当的地方，那就是“转动态”的可见性。普通的硬币即使尚未落地，我们仍然能够看见它在空中旋转的样子。而量子系统的叠加态，则是一种不可见的对象。我们只能通过测量，迫使量子硬币停止转动，才能得到一个可见的结果。
为了让这个比喻更恰当，我们暂且把自己想象成只懂得前后左右，而不懂得上下的二维生物，这时我们就很难直观地理解硬币在三维空间中的翻滚运动。不过，如果少掉的维度没有影响我们的话，我们仍然可以通过实验观察和逻辑推理建立起硬币翻滚的理论模型。为了在数学上描述它，我们就需要使用一些额外的自由度，这就是量子力学中为什么总是出现虚数i的原因。那些i所代表的，正是我们的感知无法触及，只能逻辑推演的额外自由度。这些额外自由度如果还具备一些对称性的话，在物理上就被称为“规范自由度” 。
有个很重要的规范自由度，就是量子态的“相位”，它刻画着整个量子态随时间的演化。这也非常像空中旋转的硬币，其空中姿态的不断变化，恰好也是由转动的相位来描述。
通过抛硬币的比喻，我们不仅可以想象单个量子的演化，还可以进一步理解量子之间的相互作用。具体而言，就是量子之间的纠缠关系。最极端的一种纠缠关系，就相当于把两个硬币粘在一起。这样它们虽然仍在不停转动，但彼此之间的相对状态却变成了完全确定的样子。其中一个正面向上的时候，另一个也总是正面或背面向上。不过纠缠关系有许多种，其中大部分并没有这么绝对，而是稍有松动的粘连。其中一个硬币正面向上时，另一个仍可以在一定范围内扭动。
这些或松散或牢固的纠缠关系，是因何建立起来的呢？原因就在于它们彼此之间的能量交换。物理上所说的相互作用，其实质就是指能量交换的意思。而每一份从A传递到B的能量，本身也可以被看做是一个量子。所以在专业术语中，我们会看到“通过交换玻色子传递相互作用”这样的说法。这些离开A前往B的能量包，不仅携带了A的能量，也同时携带着A的转动状态。于是，当能量包被B获取之后，也就或多或少的影响了B的转动状态。纠缠关系便这样建立了起来。
借助上面这些图像的辅助，我们现在就可以尝试理解一下，量子力学中被误解最多的“量子测量”问题。在量子力学诞生之初，人们只知道量子态在被测量时会塌缩成经典态，而且塌缩过程是瞬间完成的某种概率性选择。似乎这个过程非常不讲道理，甚至冥冥中透着股“精神决定物质”的味道。
尽管量子力学已经出现了一百多年，但至今仍然有人以为，薛定谔的猫是在被观察的瞬间忽然塌缩成死或者活的状态，只要不被观察猫就处在既死又活的叠加态。于是一堆奇怪的问题就被随即提了出来：
“如果是盲人在做实验，会影响猫的死活吗？”
“如果猫自己观察了自己，也算是物理测量吗？”
“太空深处一块从未被观察过的石头真实存在吗？”
“宇宙是由于人类的观察才成为现下的样子的吗？”
……
类似的问题在网上反复出现，其实量子力学根本没有那么古怪。叠加态的消失，完全可以简单地理解为转动的硬币落到了地面上，从而停止了转动彻底变成经典状态。仅此而已。

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