陈思进：不确定性：量子力学中的最关键点

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　　迄今为止，物理学家们对量子力学中那些似乎诡异的现象本身已然没有争议了，还没有达成共识的只是那些现象（如量子纠缠）的物理过程所发生的细节。因此，对于物理学家们而言：革命尚未成功，同志仍须努力。

不确定性：量子力学中的最关键点
文/陈思进

　　在上文《科学中最奇特的现象——再谈量子纠缠》（《科普时报》2018年06月15日第03版）刊发之后，读者向我提出疑问——“瞬间移动”是否指量子隐形传输可以“超光速”？

　　因为上文中最后提到：“如果我们接受这个世界就是依照这种‘诡异’的方式运作，我们就可以利用这种纠缠粒子的超距作用，做些有用的事情。如人类一直梦想有一天能以某种方式直接将东西、甚至人本身，从一处瞬间传递到另一个地方，不用经过中间的空间，也就是‘瞬间移动’，这也是我正在创作的科幻长篇系列小说《超越时空》中的科学基础之一。”

　　这是一个极好问题！

　　其实，我在之前的专栏文章里就曾经提到，在此特别再强调一下，迄今为止，光速极限依然是牢不可破的宇宙法则，目前已知的物理定律，还无法突破光速极限，即量子隐形传输无法突破光速屏障。

　　因此，上文中的“瞬间移动” 依然还是人类的梦想，只有待未来的理论的进一步发展，如能够证明量子之间不存在空间时，像阿西莫夫的科幻经典《基地》中通过超空间进行的量子跃迁——“瞬间移动”才有可能成为现实，目前还只是科幻中的梦想。

　　在之前三篇专栏文章中，着重介绍了量子力学中两个最基本的概念，叠加态和量子纠缠，那是按照“哥本哈根诠释”，对量子行为既精简又易懂的解释来叙述，非但得到了绝大多数物理学家的接受，更得到了实验的验证。

　　那么叠加态和量子纠缠是什么关系呢？

　　可以这样说，叠加态是量子纠缠的基础。也就是说，如果没有叠加态，也就没有量子纠缠。

　　而电子的自旋和其它的量子特性一样，在被测量之前，它们的状态是模糊而不确定的。只要一旦观察（或被观察了）了它之后才会发现，它要么以顺时针方向转动，要么以逆时针方向转动，就像赌场旋转轮盘的轮盘赌，最后会随机指向一个区间。

　　再举例来说，比如两个电子彼此纠缠，它们首先一定处于叠加态——即它们如何自旋，在被观察前是模糊不清的。如果它们不处于叠加态的话，那么它们就不可能彼此纠缠了。换句话来说，量子纠缠就是在叠加态的基础之上，再加上其它约束条件所形成的。

　　而形成叠加态的基础、甚至是量子力学的最关键点是测不准原理（uncertainty principle，也可翻译为“不确定性原理”），即《量子力学并没有否定客观世界》（《科普时报》2018年2月9日第3版））一文中所提及的海森堡不确定性原理：在量子力学中，在观察之前量子的位置与动量不可同时被确定，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。

　　先介绍一下哥本哈根诠释的角石——玻尔的互补原理：微观物体的波动性与粒子性互补，从概念而言，微观物体具有波动性或粒子性，有时会表现出波动性，有时会表现出粒子性，即在之前的文章《说说微观量子世界的基本概念》（《科普时报》2018年05月11日第03版）中提到的“波粒二像性”。

　　因为互补原理阐明，不能用单独一种概念来完备地描述整体量子现象，为了完备地描述整体量子现象，必须将分别描述波动性、粒子性的概念都囊括在内。这两种概念可以视为同一个硬币的两面。就拿光来说，当你测量到它的颗粒性质时，就测不到它的波动性，反之亦然。也就是说，不可能同时观测到粒子与波动。

　　比如，在这幅著名的视错觉图画《少女和老妇》里，假若你看到了少女的轮廓，就看不见老妇的样貌；反之，假若看到了老妇的样貌，就看不见少女的轮廓。即，你绝对不可能同时看到少女和老妇。

　　接下来，借用叶李华先生在一个演讲中，用宏观世界的现象形容的“测不准原理”：

　　挑西瓜：好些人在挑西瓜时，总喜欢拿起西瓜先拍一拍，从西瓜发出的清脆声音中，测出这个西瓜是否香甜。不过，这个西瓜在被拍了之后，它的好吃度就会降低，已经不是测量之前的好吃度了；

　　测水温：使用传统的温度计去测量一小杯热水的温度，当温度计插进热水杯，测出来的温度就不是之前的温度了，一定会降低一些。

　　从上面的两个例子中不难看出，测不准原理的基本精神，好似陷入了两难的境地：当你测量一样东西，不管是多么微弱的测量，都会或多或少对它造成干扰；可你不干扰它的话，你又做不了测量的工作。

　　就是这个海森堡表述的测不准原理（或不确定性原理），为哥本哈根诠释奠定了坚固的基础。也就是说，不确定性是量子力学的关键点。

　　迄今为止，物理学家们对量子力学中那些似乎诡异的现象本身已然没有争议了，还没有达成共识的只是那些现象（如量子纠缠）的物理过程所发生的细节。因此，对于物理学家们而言：革命尚未成功，同志仍须努力。

　　2018年06月26日写于多伦多