【科学向未来】

　　量子力学是全个微观物理学的根本理论构架，在根基与利用各方面取得了一种又一种成功。它也让人类制造生活产生深切变革——诺贝尔奖得主莱德曼在20世纪90年代就说过，量子力学奉献了那时美国国家内部制造总值的三分之一。有学者以为，在量子消息和量子控制等方面产生着“第两次量子革命”，但复旦大学物理系教授施郁更愿称其为“接着量子科学革命”（continuous quantum revolution）。施郁以为，量子力学根本原理另有未十足解决的难题，而包括量子力学在内的科学的根本方针是：客观全球和客观规则不依赖于人的意志。

　　什么是“量子”

　　“量子”开始由德国物理学家普朗克于1900年提议的，驱散了那时物理学天空中的“一朵乌云”：受热物体发出的电磁辐射能量与频次的关连。电磁辐射即电磁波，在不同频次范畴区别称作红外线、可视光、紫外线等。普朗克假设物体发射电磁辐射能量是一份一份的，每份总是一种根本单位的整数倍，这种根本单位称作“能量量子”。1905年，爱因斯坦提议，电磁波自身就由能量量子构成，称作“光量子”（后简单称呼“光子”）。1913年，玻尔提议，原子中稳固电子的能量只能取少许分立值，叫作“能量量子化”。是以在量子论早期，“量子”的最重要的含义是分立和非延续。这类含义也被用于当代物理，例如“量子霍尔效应”指霍尔电导只能取少许分立值。与光量子相似，现代物理学中，每种根本粒子皆是一种量子场的波动激起，也叫量子。他们与牛顿力学的粒子观念不同，但依旧是客观物质。

　　1925至1927年，海森堡、玻恩、约旦、薛定谔、狄拉克等人创立了体系的量子力学，取代了早期量子论，其特征其实不能容易归结于分立和非延续。此刻更多概况下，“量子”是作为一种形容词或前缀在运用，“量子X”是指将量子力学根本原理用于X，例如量子光学、量子统算、量子凝聚态物理、量子化学、量子电能源学、量子场论、量子宇宙学、量子消息、量子计算等等。

　　量子力学与经典物理学的相比

　　量子力学是微观物理学的全个一套根本理论。关于它所适用的范畴，平常是分子之下的微观档次（后面还要提到适用范畴），全部科学规则全在它的根本构架下。相对此前的物理，量子力学这种根本构架是最新的，前者被称作经典物理。

　　经典物理中，与平常生活经历绝对，每个物理量总有准确的值。例如物体在每个时候都有准确的位子，经典物理规则十足打算它怎么随时间而浮动。掌握了经典物理规则，只需晓得物体受力概况和某个时候的位子和速度，就可计算出其它任意时候的位子和速度。例如，哈雷依据牛顿力学正确预言了哈雷彗星的回归，咱们也能利用经典物理将人造卫星发射到预定轨道。

　　经典物理和平常生活中也有概率的概念。但这是鉴于对细节的疏忽或平均。比如，扔下一种匀称的硬币，每个面朝上的概率大概是二分之一。咱们平常不行预测每次扔硬币的结果。本来每个硬币的活动由不同的细节打算，假如晓得力学细节，准则上可行预言每次结果。

　　量子力学中，概率概念首当其冲，是实际性的。关于量子粒子的每个可能位子咱们赋予一种复数，称作“波函数”。测量粒子的位子，它显露在某个可能的位子；测量另一种也由这种波函数描画的粒子。这样的进程循环好多遍，接下来统算显露在每个位子上的次数，占全部次数的比重便是粒子处于这种位子的概率，等于波函数在这种位子的尺寸的平方。

　　怎样描画量子粒子的速度？有读者可能说，须要一种速度波函数，其尺寸的平方给出每个可能的速度的概率。正确！那能不行同一时间描画粒子的位子和速度，例如粒子处在某个位子况且具备某个速度，就如经典物理和平常生活里的常见概况？有读者可能会讲，用位子波函数描画位子，同一时间用速度波函数描画速度。

　　但量子力学叮嘱咱们不行那么做，由于速度波函数与位子波函数不独立。当量子粒子处于某个确定的位子时去测量速度，有可能获得各式结果，反之亦然。这是著名的海森堡不确定关连，也是所谓的“波粒二象性”：当一种量子粒子由一种延续分布的位子波函数描画时，体现出振动性（概率波）；假如咱们测量它的位子，结果它势必显露于某个位子（尽管在每个位子都有可能），就体现出粒子性。

　　量子态

　　为了描画这类情形，导入量子态，这是量子力学的中心概念。咱们将量子粒子的位子和速度看成外部自由度，由一种外部量子态描画，它既可行显示成不同的位子态（具备确定位子）的叠加，也可显示成不同的速度态（具备确定速度）的叠加。波函数便是叠加系数。在数学上，量子态是一个向量（可了解为一组数），叠加便是这点向量乘以叠加系数后相加。量子态服从叠加原理：统一体系的任意两个量子态的叠加依旧是可能的量子态。

　　量子力学另一种根本假设是，测量某属性时，量子态就按必定的概率“塌缩”到准确具备这种属性的量子态之一，概率便是波函数尺寸的平方。测量位子，本来的量子态就变为某位子态；测量速度时，本来的量子态就变为某速度态。

　　量子粒子另有里面自由度，例如光子有偏振。光是电磁波，电场方向便是偏振。偏振太阳镜只应允太阳光中偏振方向与镜片透光轴绝对的光子经过。光子的任意偏振量子态都可行用两个偏振方向互相垂直的量子态叠加而成。假如测量一种光子能否能经过某个偏振片，那末有必定的概率能够经过（偏振沿透光轴），也有必定概率不行经过（偏振垂直于透光轴），各自的概率便是相应叠加系数尺寸的平方。

　　量子态的演化

　　经典物理定律给出物理量如何随时间演化，例如牛顿定律给出物体位子如何随时间浮动。而量子力学根本定律则描画孤立体系的量子态如何随时间演化。在无发展测量时，量子态随时间的演化由薛定谔方程描画。这种演化是可逆和打算论的，也便是说，给定任意时候的量子态，可行独一确定其它任意时候的量子态。有了任意时候的量子态，就能获得任意时候的各式物理量的平均值。平均值是相关于量子态而言，由于量子态有概率的涵义。量子力学在好多范畴的利用都鉴于这点计算准则。

　　是以量子态有两种进程，一种是测量此前由薛定谔方程描画的演化，是可逆和打算论的；另一种是测量导致的塌缩，是不可逆和随机的。为何不可逆呢？由于测量前的量子态可行塌缩到多个个态之一，依据塌缩今后的态没有办法确定塌缩此前的态。这种浮动与薛定谔方程描画的演化不融洽，被当作量子力学的一种根本假设。

　　量子纠缠

　　一种量子体系可能由多个子体系组成。假如某子体系无一种独立的量子态，那末就说它与其它子体系之中存留量子纠缠。以两个光子a和b的偏振为例。某个量子纠缠态是两个态的叠加，此中一种态中，a光子处于水准偏振态，b光子也处于水准偏振态；在另一种态中，a光子处于竖直偏振态，b光子也处于竖直偏振态。可是在二者的叠加中，每个光子全没有个独立的偏振量子态。假如叠加系数相等，这种纠缠态叫作第一大纠缠态。

　　假如测量a光子偏振态是水准仍是竖直，结果自然是二者之一。假如测量者晓得本来两个光子所处的量子纠缠态，当a被测到是竖直的时刻，可行预言b光子的量子态也塌缩为竖直；当a被测到是水准的时刻，可行预言b光子的量子态也塌缩为水准。

　　更奇妙的是，测量者可行抉择任意一对互相垂直的方向来测量光子偏振，例如测量偏振方向是沿着45度仍是135度。关于上面这种第一大纠缠态，当a被测到是45度的时刻，可行预言b光子的量子态也塌缩为45度；当a被测到是135度的时刻，可行预言b光子的量子态也塌缩为135度。

　　应用量子纠缠可实现量子隐形传态。地处两地的甲和乙区别具有光子a和b，他们的偏振处于第一大纠缠态。甲还具有另一种光子c，处于一种独立的偏振量子态。甲和乙其实不晓得c的量子态是怎么的。甲对a和c作一种全体的测量，让得他们处于4种第一大纠缠态之一。接下来甲将测量结果通告乙。对应于甲获得的每种可能结果，乙对b作一种对应的操作，b的量子态就变为c本来的量子态。这样，量子态从a光子传到了c光子，而非是在体积中传输过来。这边一种要害环节是甲将测量结果通告乙，不然是不可能实现的。

　　量子力学的根本难题

　　在量子力学中，量子态其实不是一种物理量，还存留测量难题，因而存留诠释难题以及其它量子力学根本难题。关于甚么时刻使用量子力学料理详细难题，物理学家通常是有把握的。但关于量子力学根本难题，在通常教学科研中很少涉及，唯有少数物理学家关心，况且无完成共识。好多物理学家采用实用主义态度，只将量子力学当作一种计算准则。有人不以为存留诠释难题，有人采用某种或几种诠释的混合，或许某种私人了解。这点概况大概也反应量子力学根本难题另有未解决之处。这方面难题简单引起广大兴趣，但也存留误解和误导。下方笔者谈谈少许观点。

　　爱因斯坦说过：“咱思考虑子难题的时间是相对论的一百倍。”他不称心量子力学，说：“大当然不掷骰子。”他提议少许思想实验，期望绕过不确定关连。但玻尔指明他推理的漏洞。后来爱因斯坦承认量子力学的正确性，可是怀疑它的完善性——是非是客观切实的每个素材全在量子力学中有对应。1935年，爱因斯坦与助手波多尔斯基和罗森试图经过量子纠缠来论证它们的看法。

　　以纠缠光子为例。偏振纠缠与他们之中距离没有关，因而不管相距多远，只需量子纠缠无被破坏，这两个光子都存留关联。依据相对论，全部信号传输不行比光速快，是以假如两个事故产生的体积距离大于时间距离乘以光速（叫作“类空距离”或许“非定域”），这两个事故无因果联系。假如有一对手套，区别送给相距遥远的甲乙两人。不管它们相距多远，甲在开启包装后，刹那晓得本人收到的是左手套仍是右手套，从而也推论出乙收到的是哪只。对此咱们不奇怪，由于哪个左哪个右是事先确定的。爱因斯坦以为，量子纠缠应当与此相似，每个光子偏振是竖直或许水准事先就确定了（爱因斯坦它们实是上是将这种推理用在位子和速度，咱们将它们的思想用于光子偏振纠缠）。他将这类物理量有预先确定值的概况叫作“切实性”，这种名词被沿用于今。注意，这边所谓“切实性”不过说物理量有预先确定的值，“非切实性”便是指物理量无预先确定的值，其实不能否定客观全球。

　　前面说过，甲还可行测量a光子偏振是45度仍是135度（这是用手套比喻不出去的十足量子的性质）。按爱因斯坦的推理，事先就确定了每个光子偏振是45度仍是135度。可是正如量子粒子的位子和速度不行同一时间确定，光子偏振确定了是竖直或水准后，就不可能确定是45度或135度，反之亦然。是以爱因斯坦和助手推论，定域性加上切实性与量子力学完善性是矛盾的。他以为前者是没有可动摇的，是以他的结论是量子力学不完善。

　　爱因斯坦等人的文章获得薛定谔的响应，发明了量子纠缠这种名词，并提议著名的“薛定谔猫”。在一种封闭箱子里有只猫，还有一块放射性物质，假如此中一种原子产生衰变，就经过计数器放电导致一种榔头掉下去，打碎一种装有剧毒氰化物的容器，从而毒死这只猫。依照量子力学，原子将处于衰变和不衰变的量子叠加态，这会导致猫的死活状况也会与原子状况一同处于量子叠加态。只是对于这只猫的命运，科学界一直有不同的意见。

　　后来大家在量子态之外导入隐参数（隐藏的要素），打算物理量的准确值，实现物理量的切实性，这样量子概率就与经典概率相似。贝尔提议定域隐参数理论服从的不等式。可是大批实验表达贝尔不等式是被违背的。定域隐参数理论和一部分非定域隐参数理论根本已被否定。

　　爱因斯坦开启了量子纠缠的大门，初次揭示它的深切意义。笔者以为这是一种伟大的奉献，况且他和助手对于定域切实性与量子力学完善性矛盾的推理无错，不过在二者之中的抉择上与后来实验不符。

　　笔者重申，量子纠缠尽管是一个非定域关联，但其实不违反相对论，由于无超光速信号的传输。假如不将a的测量结果通告b处的观测者，后者是观测不到b的全部浮动的，观测结果与塌缩前的量子态也是十足自洽的。对相对论的遵守也表现在量子隐形传态中，甲必需将测量结果叮嘱乙。是以量子纠缠和量子隐形传态都不可能刹那传导消息。

　　在量子力学早期，波函数以前被当作三维物理体积中一个物理的波，可是这类说法很快被摈弃，由于波函数可行是好多粒子的位子的函数。此刻关于波函数或许说量子态的诠释可行分为两类。一类是将它当作对于微观客体的常识或许消息，而量子态的塌缩反应了常识或消息的浮动。另一类是将量子态当作一种客观切实，尽管它非是一种物理量。

　　第一类中起首是长久占主导位置的以玻尔为代表的哥本哈根诠释。在哥本哈根诠释中，测量仪器必需用经典物理描画，而不行用量子力学描画。假如用量子力学描画测量仪器，就不会有不可逆的随机塌缩。可是哥本哈根诠释又以为经典测量仪器与量子体系的分界线可行依据须要改变。爱因斯坦等人的质疑对它的造成起了相当大的推行效用，对爱因斯坦提议的理想实验，玻尔提议的解决方法最重要的便是将不确定关连用到仪器。

　　从物理规则的普及性来讲，量子力学应当有准确的适用范畴，况且仪器也是由原子构成的。冯·诺依曼讨论了测量的量子理论，测量仪器也是量子的，接下来被另一种量子测量仪器所测量，如许连续下来。他和威格纳等人都将意识作为终结的仪器而实行随机塌缩。在笔者看来，这点用意识实现随机塌缩的做法是说不通的，也无解决难题。起首，现代实验中的测量不要意识去干脆与实验进程耦合，况且引入意识的做法不过方式上引入与体系量子态相纠缠的意识量子态，并未解释为何意识能导致塌缩。再者，不晓得该实验的人的意识能不行导致塌缩呢？用科学的方法探讨意识及其与量子力学的关连、探寻此中的客观规则是有意义的，但这与测量难题中的意识导致量子态塌缩这类诠释非是一回事。

　　姑且不管它合乎道理与否，在意识导致量子态塌缩的诠释中，量子态是观测者对于量子体系的常识，非是量子体系自身，是以意识改变的不过主观常识，而非是客观全球。假如疏忽这边的意识是与量子测量耦合的意识，甚至将它归为念头，又将主观常识等同于客观全球，说“人类主观意识是客观物质全球的根基”之类的话，则是荒谬的误解或歪曲。

　　即便无测量，全球在必定尺度之上是经典的。有个方法叫作“退相关”（相关便是指体系处于量子态）。它假设量子力学准则上适用于全部尺度全部概况，考量到实质上多数体系非是孤立体系，论证经过环境的作用，体系体现出表观的经典性质和哥本哈根解释。是以薛定谔猫刹那就塌缩为准确的死活状况。退相关在好多详细概况取得了极大成功，况且关于量子消息及其余少许范畴很要紧。可是，关于退相关能不行彻底解决根本的量子测量难题，另有不同意见。

　　另一种假设量子力学适用于全部概况的诠释是所谓“多全球理论”，隶属第二类诠释，也便是说，它将量子态自身看作客观性质，况且不存留塌缩，全部的可能性都包涵在全个全球的庞大的量子态中。在笔者看来，这种诠释背负着沉重的形而上学包袱，不同的全球之中有无有联系？假如有物理联系，那不便是一种全球了吗？假如无物理联系，不同的多全球共存于怎么的一种“超全球”里？

　　笔者同意诺贝尔奖得主温伯格所说，仿佛每种诠释都有本人的难题。笔者还感觉，各式诠释的难题可能本质上是统一个难题的不同体现。期望在接着量子革命中，这点难题能获得解决。也有可能量子力学在某些要求下真实被取代，这须要未来的实验确定。

　　量子力学无动摇科学的一种根本方针，即客观全球和客观规则不依赖于人的意志。这也将引导量子力学的进一步改善。

　　（作者：施郁，系复旦大学物理学系教授）

来自：光明日报

作者：施郁

编辑：童妙 实习编辑 曾映雪