量子世界为什么没有变得更怪异？ - 科普 - 科学技术 -

时间：2016-07-28 00:59:34来源：网络收集Tags:     ()

吴余/文

量子的世界是怪异的，那里微观粒子的行为完全可以用“匪夷所思”四个字来形容。但为什么它们没有变得更怪异呢？

且慢，这种提法或许会让你莫名其妙。你会说，怪异倒不难理解，意思无非是说量子的规律跟我们在日常生活中得来的经验迥然不同呗。但更怪异怎么理解？这个“更”字拿什么做标准衡量呢？

不确定性统治着量子世界

不怕有人嫌老生常谈，我们还是先从量子世界的怪异行为谈起。量子行为的一个怪异之处是人们通常所称的“不确定性原理（或者也叫测不准原理）”。这个原理告诉我们，微观粒子的某些物理量不可能被同时精确地测量。譬如，动量和位置就是这样一对物理量。你对粒子的动量测量得越精确，那么对它位置的测量就越不精确。就像拍摄一颗飞着的子弹，曝光慢了，可以看清子弹飞行的背景，但子弹是模糊的；曝光快了，子弹很清晰，但背景却是模糊的。

大物理学家爱因斯坦曾经是量子理论的先驱者之一，但他终生对不确定性原理很反感。他认为不确定性是我们对量子世界研究不够充分引起的，并非量子世界本身所固有，用他的话说就是“上帝不会掷骰子”。并且晚年，他还想出种种办法来证明这一点，但至死也没有把不确定性原理“扳倒”。由此可见，不确定性还真是量子世界的一种本质属性。

更让人匪夷所思的是，根据量子力学的标准说法，微观粒子在测量之前压根儿就没有一个确定的状态，而是处于各种可能状态的叠加之中，直到我们对它进行了测量，它才以其中的一种状态呈现在我们面前。

不妨拿一颗骰子为例。它的6个面分别刻着1～6的数字。扣上罐子摇一摇，揭开时，如果看到 6的一面朝上，那么我们可以推断，在罐子揭开之前，只要骰子停止了翻滚，那么6的一面也早已经朝上。

可是倘若这是一颗量子骰子，就不能做如是判断。在揭开罐子之前，它只能处于一种不确定的1～6的混合态。在这种混合态中，每一面朝上的概率都有1/6。只有当罐子揭开之时（相当于我们对它做观察或测量），它才“下决心”选择其中的一个面朝上。量子世界就好比一个纪律很糟，但又很善于伪装的班级：老师走了，“老猫不在，小耗子可以跳舞了”，大家闹得沸反盈天，而一旦老师站在门口，大家立刻就默不作声，以一种“ 听话、守规矩”的正经面孔出现在老师眼前。

量子的这种怪异行为在历史上曾经引起过许多有趣的争论，最著名的是薛定谔猫的死活问题：在量子世界，一只关在封闭盒子里的猫竟然处在又死又活的状态，实在是令人匪夷所思。

鬼魅般的超距作用

外国有句谚语“你要是在家里接待了一次魔鬼本家，它就会把它所有的亲戚都接来住进你家。”量子世界也是这样，它的古怪性质还不止于此呢。

量子的另一个古怪性质是爱因斯坦所称的“鬼魅般的超距作用”。

我们知道，任何物体的运动速度都有一个极限，包括光速。虽然在牛顿那个年代，认为力（譬如万有引力）的传播是不需要时间的，瞬间即可到达。但是后来物理学的发展却推翻了这种观点。以相对论为代表的近代物理学认为，信息和能量的传播都不能超过宇宙间最快的速度—— 光速，包括万有引力。

可是在这一点上，微观粒子又来捣乱了。人们在量子世界里观察到一种叫“量子纠缠”的怪异现象：假如有一对粒子，一个左旋，另一个右旋，然后把两个粒子分开，比方说一个在地球上，另一个在十亿光年之外。现在，如果我们把地球上的那个粒子由左旋改为右旋。按理说，另一个粒子至少要过十亿年才能感知地球上这个粒子的变化，因为信息的传播需要时间嘛。可事实并非如此。只要地球上的这个粒子一有变化，另一个粒子立刻就能感觉到，并对自己的状态做出相应的改变。

量子纠缠实际上就是一种超距作用，通过这种方式，一个粒子的影响可以瞬间抵达空间任何地方，仿佛距离远近对它们没有任何影响。

量子世界“以怪制怪”

很长时间以来，人们一直认为不确定性和纠缠现象是量子世界的两个互不相干的怪异行为，直到最近新加坡国立大学的科学家才证明，两者事实上存在着某种联系。为了看清它们之间的关系，让我们设想一场游戏：假设狗剩和翠花一起玩猜火柴棍的游戏，只不过狗剩要坐上“好奇”号火星车到火星上去，而翠花则留在地球上。现在通过视频，让狗剩猜一猜翠花的两只手里有没有火柴棍。翠花两只手里共有4种可能：

A、两手都空着；B、左手空着，右手握火柴棍；C、左手握火柴棍，右手空着；D、两手都握有火柴棍。

这场游戏的输赢规则有点特殊：假如狗剩猜中，两人共赢；假如猜不中，则两人共输。所以不用说，翠花是非常乐意帮狗剩猜中的（但不能通过视频作弊）。遗憾的是，狗剩必须在几秒之内就得做出回答，这点时间他们根本来不及通话。于是，在通常情况下，狗剩就只好全凭猜测了。他猜中的概率是1/4，也就是25%。

如果他们通过量子纠缠建立了联系，那么翠花可以把各种可能性进行编码，比方把手里有火柴棍的情况表示为1，没有表示为0，4种可能就有4种编码方式：00,01,10,11；然后翠花把实际情况编码发给狗剩。因为量子纠缠不需要时间，狗剩即刻就能收到这个信息。通过这种办法，俩人共赢的概率大约会增加到35%（如何算出来的，因比较麻烦，在此不做解释）。

为什么建立了量子纠缠之后，他们共赢的概率只提高了10个百分点，而没有达到100%呢？这是因为受到了不确定性原理的限制。

这个限制是翠花在编码以及狗剩在解码的过程中产生的。因为受不确定性原理的影响，翠花在编码的时候，带有一定的不确定性。举个例子，比如对于“左手空着，右手握火柴棍”的情况，编码为01，但她顶多只能做到第一位是0的概率是多少，第二位为1的概率是多少等等。而狗剩在解码的时候，也同样如此。这样一来，他们共赢的概率就打折扣了。

这就是说，因不确定性原理的存在，利用量子纠缠实际上不能传递准确的信息。倘若没有不确定性原理，通过量子纠缠能传递准确的信息，那么，就推翻了“信息和能量的传播都不能超过光速”的结论，在那种情况下，量子世界就会显得更怪异。