为什么量子力学说过去不是真实的

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阿道夫·希特勒 (Adolf Hitler) 于 1945 年 4 月 30 日去世。至少官方历史是这么说的。但少数历史学家对这些证据提出质疑，并坚称元首逃离了饱受战争蹂躏的柏林，并躲藏在某个地方。尽管后一种说法如今被视为毫无根据的阴谋论而被广泛驳斥，但理性的历史学家不会怀疑，无论有什么有争议的证据，至少存在“事实真相”。希特勒那天要么死了，要么没有死。说 1945 年 5 月 2 日希特勒既活着又死了是没有意义的。但是用埃尔温·薛定谔的著名猫来代替阿道夫·希特勒，历史的“事实真相”变得非常模糊。

薛定谔是量子力学的创始人之一，历史上最成功的科学理论。它是所有化学、粒子物理学、材料科学、分子生物学和大部分天文学的基础，并给我们带来了从激光到智能手机的令人眼花缭乱的技术奇迹。问题是，尽管量子力学取得了所有的胜利，但从底层来看，量子力学似乎毫无意义。

在日常生活中，我们假设存在一个“外面”的真实世界，其中桌子和椅子等物体具有明确的明确属性，就像有一个位置和方向，与是否有人在看无关。当我们观察宏观世界中的物体时，我们只是发现了一个预先存在的现实。但量子力学研究的是原子和亚原子粒子的微观世界，其中现实消失为不确定性和模糊性。

量子不确定性意味着未来并不完全由现在决定。例如，如果电子以已知速度在薄势垒处发射，它可能会反弹，或者可能会穿过势垒并飞向远端。或者，如果一个原子进入激发态，那么一微秒后它可能仍然被激发，或者它可能已经衰变并发射光子。在这两种情况下，我们都无法确定地预测哪种情况会发生；只能给出投注赔率。

大多数人都乐于接受未来是开放的这一事实。但量子模糊性也意味着 过去的 这也不是板上钉钉的事情。从足够精细的尺度来看，历史会消失为另类现实的混合体，技术上称为叠加。

量子微观世界的模糊性 进行测量时会迅速聚焦。例如，您可能对电子进行位置测量并发现它具有特定位置。但根据量子力学，这并不意味着电子 已经在那里了 在测量之前，观察仅揭示准确的位置。相反，测量从先前的无位置状态投射到一个位置的电子。

如果是这样，那么在观察电子之前我们应该如何看待它呢？想象一下分布在太空中的大量半真实的“幽灵电子”，每个电子代表不同的 潜在的 现实，徘徊在一种迷茫的状态。有时，这被描述为电子同时处于多个位置。然后——砰！ – 进行一项衡量，以将特定的“获胜者幽灵”提升为具体现实，从而消灭竞争对手。

实验者对结果有选择吗？在挑选获胜幽灵时，情况并非如此——这取决于随机机会。但仍然涉及到选择的因素，这对于理解量子现实至关重要。如果实验者不进行位置测量，而是选择测量电子的速度，那么模糊的先前状态会再次变成清晰的结果——但这一次创建的不是一个位置的电子，而是一个具有一定速度的电子。人们发现，具有一定速度的电子的行为就像波一样。它与一个地方的电子不是同一实体，后者是一个粒子。显然，电子在某种程度上既是波又是粒子;他们表现出哪一方面取决于人们选择如何审问他们。

底线：电子会发生什么——无论它的行为像波还是粒子——取决于实验者为了观察它而决定执行哪种类型的测量。确实很奇怪，但这就是真正奇怪的地方：情况也是如此 有 发生在原子上 前 测量结果取决于实验者的决定！也就是说，电子的性质 在过去 – 波或粒子 – 由该选择决定。看起来好像有什么东西可以追溯到过去并影响“外面”的世界 曾是，在测量之前。

这是时空旅行吗？因果关系？心灵感应？所有这些词都在有关量子物理学的热门文章中流传，但最贴切的描述是由物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）给出的，他创造了“黑洞”一词：“过去不存在，除非它被记录在现在，”他宣称。

惠勒的描述听起来像是一句深刻的格言，但有没有实际的实验来证明这一点呢？确实有这个问题，正如我第一次从惠勒本人那里了解到的那样，1980 年我们在巴尔的摩希尔顿酒店共进早餐时。这顿饭以一个典型的惠勒问题开始：“你如何举起光子的幽灵？”他问道。看到我的困惑，惠勒继续解释了他为经典量子实验设想的一个新颖的转折。用光来实现是最简单的，尽管用电子甚至整个原子也可以实现。

该实验由英国博学家托马斯·杨于 1801 年首次进行，旨在证明光的波动性。杨设置了一个屏幕，屏幕上有两个靠近的窄缝，并用一束光照亮它。光线穿过狭缝并落在距离光源稍远的第二个屏幕上。杨看到了什么？不是您想象的两条模糊的光带，而是一系列明亮和黑暗的条纹，称为干涉条纹。它们的出现是因为穿过每个狭缝的光波扩散开来，在它们同步到达的地方——从峰到峰，从谷到谷——它们会增强，形成一个明亮的斑块，而在它们到达不同步的地方，它们会抵消并产生一个暗斑。

当物理学家争论光是由波还是粒子（称为光子）组成时，量子力学就开始了。我们现在知道，就像电子一样，答案是两者兼而有之。借助现代技术，您可以进行杨氏实验 一次一个光子。每个光子都会在第二个屏幕上形成一个小点，随着时间的推移，许多点以斑点的方式形成一个图案，以显示杨发现的独特条纹。这似乎令人费解：如果光子是一个微小的粒子，它肯定会穿过 任何一个 一条缝 或者 另一个。但 两个都 需要狭缝来制作干涉图案。

如果一个狡猾的实验者决定看看任何给定的光子穿过哪个狭缝，那么会发生什么？通过将探测器放置在狭缝附近，可以轻松实现这一点。完成后，干涉图案就会消失。实际上，干预检测促使光子显现为粒子，从而消除了其波状性质。你可以对电子做同样的事情——发现它们穿过哪个狭缝，但没有发现条纹图案，或者让每个电子的路径不明确并观察条纹（在许多电子形成图案之后）。因此，实验者可以决定，一个光子一个光子，一个电子一个电子，当它继续撞击图像屏幕时，它的行为是像波还是粒子。

现在我们来谈谈惠勒的转折。不一定要提前做出决定——看还是不看。事实上，它可以一直保留到光子（或电子）穿过狭缝系统并顺利到达图像屏幕为止。实际上，实验者可以选择回头看看光子是从哪个狭缝发出的，或者不是从哪个狭缝发出的。这个设置（可以理解，它被称为延迟选择实验）已经完成，并且结果确实符合预期。当实验者决定偷看时，光子不会集体形成条纹；而是会形成条纹。当它们不被观察到时，它们就会发生。结论是？现实是 曾是 – 光的行为是否像穿过两个狭缝的波或穿过一个狭缝的粒子 – 由实验者后来的选择决定。我应该提到的是，在真实的实验中，“选择”是自动化和随机的，以避免可能扭曲结果的偏差，而且因为这一切发生的速度都比人类的反应时间快。

延迟选择实验并没有改变过去。相反，在没有实验的情况下，存在着许多过去——多重混合的现实。当选择衡量什么时，其中一些历史记录就会被剔除。这一选择的效果是减少一些过去的量子模糊性，如果不能确定独特的历史，那么至少可以缩小竞争者的数量。这就是为什么它有时被称为量子擦除实验。

在真实的实验中，回溯时间只有纳秒左右，但原则上它可以一直追溯到宇宙的起源。事实上，这就是惠勒关于保持光子幽灵的神秘问题背后的含义。他设想了一个遥远的宇宙光源被引力透镜 从我们的角度来看，中间有一个黑洞，双光路在汇聚到地球之前在黑洞的两侧弯曲，有点像宇宙尺度上的双缝实验。光子的幽灵可能会通过一条路线到达，而另一个幽灵则走另一条可能更长的路线，可能要再过一个月才能到达这里。要进行这样的宇宙干涉实验，你必须以某种方式存储或“保留”第一个幽灵，等待第二个幽灵的到来，然后再将它们合并，这样波就会同时重叠，就像在最初的杨氏实验中所做的那样。

爱因斯坦曾经写道，过去、现在和未来都只是幻象。他错了。错误就出在“the”这个词上。 一个 过去存在于今天的历史记录中，但它由大量混合的“幽灵过去”组成，以某种方式捆绑在一起，在宏观尺度上形成了独特的叙述。然而，在量子层面，它逐渐变成了人类经验之外的模糊部分现实的混合物。

保罗·戴维斯是一位理论物理学家、宇宙学家、天体生物学家和畅销书作家。他的书《量子 2.0》，由企鹅出版社于 2025 年 11 月出版。