把全世界物理学家折磨成“精分”的量子力学，究竟是什么玩意？

世界混沌的外壳终被砸开

瑞典时间10月4日，2022年诺贝尔物理学奖由三位获得者Alain Aspect、John Clauser和Anton Zeilinger共同获此殊荣。

这哥仨都是在因在量子纠缠和贝尔不等式的验证方面做出了突出贡献而获奖。

这次诺贝尔物理奖的颁发，也意味着诺贝尔物理学奖认可了量子力学的正确性，以及基于量子力学的新技术走在了正确的道路上。

其中，Zeilinger获奖后接受采访时说：很抱歉，爱因斯坦先生，你的结论是错误的。

这一切和爱因斯坦有什么关系呢？

或许要从物理界那场旷日持久的“玻爱”之争讲起。

1927年，欧洲第五届索尔维会议上，全世界最著名的物理学家汇聚一堂，留下了一张弥足珍贵的合影。

合影中29位科学家，有17人获得了诺贝尔物理学奖。

当时的爱因斯坦和玻尔也在其中，正为普朗克提出的量子力学概念争论不休。

从历史角度来说，普朗克算是量子力学的祖父，爱因斯坦和玻尔是旧量子力学之父（彼此继承又发扬了普朗克的学说）。

所以，“玻爱”俩人又被视为新量子力学的祖父，但都是以理论为主。

他们之后的海森堡、薛定谔和狄拉克等则通过方程式将量子力学与物理学真正联系起来。

玻尔这边的哥本哈根学派几乎囊括了在场所有物理学家，而爱因斯坦这里只有两位支持者，都是身份不一般的超级粉丝：德布罗意和薛定谔。

幸好物理学比拼的不是人数，而是讲道理，看谁能说服对方。

爱因斯坦的观点可以用其名言“上帝不掷骰子”来概括。

即世界的本质不是随机的，与经典力学的观点一致。那些看起来无法解释的随机现象，是因为有尚未发现的“隐变量”。

如果把这个问题延伸一下，就会引起这么一种概念，那就是决定论。

决定论什么意思？

意思就是宇宙所有一切，包括这篇文章最后的阅读和点赞量，其实很早之前就决定了。

玻尔这边认为，上帝掷不掷骰子，上帝说了算，咱别管上帝能干什么。既然你老爱觉得一切都有安排，那为何宇宙里还有那么多的随机现象？

爱因斯坦解释说，那些看起来无法解释的随机现象，是因为有尚未发现的“隐变量”，一旦我们找出了这些隐藏着的变量，随机性就不复存在了。

注意，爱因斯坦的决定论和唯心主义的“天注定”听着有些像，但其实不是一回事。

爱因斯坦的“决定论”出发点是基于牛顿经典力学中的三个假设——守恒律、确定性、局域性。

毕竟科学家在1846年通过物理和数学模型准确发现了海王星的位置，这是人类对于宏观世界中一次伟大的科学实验胜利。

也就是说，如果能有台超级无敌的计算机，就可以根据已有的物理学理论预测出所有宇宙起源和未来发展。

从物理学的基本理论角度看，玻尔这派与爱因斯坦的争议并不大。

这就是爱因斯坦“决定论”说的现实世界的确定性以及可预测性。

不过，任何一个人内心对所谓“天注定”再怎么相信，也会像霍金所说：

“即使是相信一切都是上天注定的人，在过马路的时候也会左右看一看，以免被车撞到。”

于是，很多科学家对爱因斯坦“决定论”提出疑问，想挑战下权威。

因为在此之前，就有人对牛顿提出的光是由粒子组成的产生怀疑，并且成功证明了牛顿说的也不一定对。

1801年，一位英国物理学家托马斯·杨突发奇想地决定，想要做一场实验来验证，光究竟是一种波还是粒子，而这个实验也就是经典的杨氏干涉实验。

于是，托马斯·杨准备了一根蜡烛、一块留有两条缝隙的遮挡板以及一面墙壁展开了这项实验。

实验过程中，托马斯·杨先是将蜡烛点燃，使得光源出现。紧接着，托马斯·杨将蜡烛放置在遮挡板后，开始观测遮挡板在墙壁上所呈现出的模样。

按照牛顿的光是粒子的理论，那么光应该直接穿过双缝，在屏幕上投射出两块明显光斑。

可如果光是波的话，那么在传播过程中便会如同“水波”般相互干涉，最终便会在屏幕上呈现出明暗相间的条纹。

实验中，托马斯·杨发现屏幕上出现了条纹，也就是后人所称的“干涉条纹”。

干涉条纹的出现，证明了光实际上是以“波”的形式存在的。

随后科学界围绕这个实验逐渐演变为量子力学的两派，俗称“光派”和“波派”。

最终，为了从物理学上搞清楚光子到底是波还是粒子，为了验证自己说的才对，各派都做了个双缝干涉实验。

关于双缝干涉实验的内容网上实在太多，这里不做赘述。

概况起来就是两派通过实验发现：同一个光子会同时通过两个缝。

举例来说，你现在上班摸鱼时看这篇文章的同时，还同时吃着火锅唱着歌；你累成狗一样回到家瘫在沙发时，也同时在外面蹦迪嗨到爆……

听着是不是有些耳熟？

没错，这就是传说中的“平行世界”理论源头，起因却是来自著名的“薛定谔的猫”理论。

正是这个理论引发了玻尔为代表的哥本哈根学派，以及爱因斯坦和薛定谔三位大佬争议，从而激发了“平行世界”的理论的出现。

先解释下，“薛定谔的猫”并非真拿一只可怜的猫做实验，只是个比喻。

薛定谔为了解释量子力学，做了个理论实验，说有个封闭的盒子里有只猫，然后一个量子装置连着毒药瓶，猫的生死取决于量子性质。

实验的核心问题就是《哈姆雷特》著名台词：to be or not to be, it's a question(生存还是毁灭，这是一个问题)，

玻尔说，既然是量子猫，那么它在盒子里的概率是100%是活的，但也可能是一只死猫，是死是活，都有可能性，你打开看看不就知道了。

爱因斯坦、薛定谔：猫50%是死的，50%是活的，我们打开盒子之前它就已经死了，或者还活着，我们打开盒子看到的是结果，而不是诱发结果。

爱因斯坦调侃玻尔说，按你意思，上帝发现有人来看结果了，会在最后时刻决定猫的生死？

玻尔翻了个白眼：你别管上帝能干什么！

这个实验的本意是，如果不能从量子力学的光和波角度去给这只猫所处的状态给出一个合理解释，那么理论上的猫既活又死就违背了基本逻辑思维。

两派为此争论不休，直到50年代中期，美国科学家休·埃弗雷特在玻尔的叠加态理论上提出了多维宇宙概念，也就是所谓平行宇宙理论。

一个物理学实验最后演变为科幻小说题材，谁也没想到。

这还不算，关键是科学家们被折磨到疯狂，在于他们发现光子不仅会分身术，还具备意识。

双缝干涉实验显示，当有观测者的时候它就是粒子，就如牛顿所认为的那样，而当没有观测者的时候，它就是波，就如托马斯•杨的实验证实的那样。

不管你观察得有多快，光子都比你更快，仿佛能意识到人类是否在观察自己。

无论多少次实验都是如此，参与实验的科学家们几乎集体崩溃。

科学家们最后投降了，将此现象称为波粒二象性。

也就是说光以何种形态呈现，取决于是否存在观测者，你看我，我就是粒子，你不看我，我就是波。

估计大家还是一头雾水，到底什么意思呢？

打个比方，你上班时候摸鱼，打开工作界面假装勤奋工作，实际上呢，你又开了个界面在打游戏。

这时，老板出现，你迅速将游戏界面切换为工作界面。

老板看到的是你正努力工作的一面，心满意足离去。

那么在这个场景中，你就有两个形态，一个是摸鱼的你，一个是认真工作的你。

至于你究竟是什么状态，取决于老板有没有看着你。

看着你，你就是好好工作的优秀员工，没看你，你就是摸鱼的那个员工。

这也就是所谓的波粒二象性，意味着如果这个你是微观世界中的粒子，而老板是观测者，那么你到底呈现波的形态还是粒子的形态，就取决于观测者有没有在观测你。

爱因斯坦对此表示，我解释不清楚，反正上帝不会掷骰子，肯定有我们尚未搞清楚的地方。

量子力学这样越说越有玄学味道，可事实上这就是困扰爱因斯坦在内所有科学家的，量子纠缠。

更有意思的是，这次诺贝尔奖中关于贝尔不等式的验证，原本是爱因斯坦的粉丝，英国物理学家约翰·贝尔为支持他而做的实验。

1964年，贝尔对爱因斯坦认为量子纠缠的随机性是表面现象，背后可能藏有“隐变量”说法表示认可，试图用实验来证明这一点。

可他的不等式导致的实验结果却适得其反，随后几十年里，所有贝尔测试的实验结果都偏向于量子力学。

今年诺贝尔物理学奖三位获得者均是后来这一系列工作中的佼佼者。

实际上，量子纠缠概念衍生出太多不可思议的理论，也几乎颠覆了现代哲学观念。

前面提到所谓粒子有意识地双缝干涉实验，就与我们传统观念中“因果论”格格不入。

过去我们以为世界是有“前因”，才有了“后果”。

可这个实验证明世界未必如此，很可能存在着“先有果，后有因”的现象。

同时哲学里的“我思故我在”或许并非无稽之谈，这个实验就展现了一个令人细思恐极的结论：

在宇宙还没有发生大爆炸之前，不知何处出现了意识，正因为意识的诞生，宇宙发生了大爆炸，继而形成了我们现在的世界。

这又不得不提到“平行宇宙”概念，是我们的选择产生了宇宙。

简单来说我们就是宇宙的基本单位，在自己一生中总会有各种各样的选择，那么每次选择都会产生不同的结果，也孕育出不同的宇宙空间。

再换句话说，我们走在一条岔路口，最终选了一条路走下去，但并不代表另外一个路口不存在。在另外一条道路之上，也很可能存在着另一个我们在其中行走。

不同的道路和选择，指引我们去往各自的宇宙（世界），就如我们现在的世界可能也只是无数平行宇宙中的一员而已。

爱因斯坦当年提出量子纠缠，是为了证玻尔说得的不对，没想到却被越来越多的实验证明量子力学的正确性。

世界的混沌外壳被砸开，露出隐藏多时的脉络。

这也是为何今年诺贝尔物理奖获得者Zeilinger说，爱因斯坦的结论是错误的原因。

其实早在20世纪末，量子力学与信息科学相结合产生的量子信息科学，并在新世纪逐步从理论走向了应用，已成为最前沿的科技领域。

比如量子通信，借助量子干涉条纹设计出理论上最安全的通信方式，同时还可以借助量子领域的超快计算能力，来揭示复杂系统的规律。

还有一种更为神秘的量子信息传递模式，利用量子纠缠或许可以实现原子状态的异地传送，现在部分实验已经取得了成功。

再比如，网络里可以利用量子叠加来进行量子信息的处理，这就是量子计算机，也是目前未知运算速度最快的计算机形式。

当然目前的研究还集中在原子结构领域，人的肉体能不能异地传送，目前还无法得到验证……

至于大家关心的时间旅行，想说个斯蒂芬·霍金教授的故事。

2009年6月28日，剑桥大学凯斯学院，霍金在一个房间布置了香槟、气球和烤面包。

他身穿正装，扎着蓝色领带，在轮椅上静静等待。

这是一次特殊的邀请宴会，房间内的横幅写着“欢迎时间旅行者”。

为防止一些不速之客前来“捣乱”，确保只有真正的时间旅行者才能出席，霍金在Party举办前没有向任何人发出邀请。

宴会结束后，霍金才发出请柬，“诚挚邀请你参加时间旅行者的宴会。”

请帖上不但写明宴会的举办地点，还贴心地标明了经纬度。

霍金认为，如果有未来人看到这份请帖并能“穿越”回过去，那么他在那次宴会上就会见到货真价实的“时间旅行者”。

时间慢慢流逝，无人推门而入。

霍金对此结果，或许早就知晓，但依然表示极大遗憾。

信息大爆炸之后，科学似乎被停滞，消费主义带来的风暴席卷全球。

暴风骤歇，人类科技跌入幽暗的时间隧道。

让我们再把时间倒回1900年的4月27日，那天，76岁的物理泰斗开尔文勋爵在英国皇家研究所的报告会上，对20世纪的物理学进行展望。

这位著名的世界物理学家悲观地表示，物理学已经到了尽头。

忽然，他停顿了一会，凝视远方说“只是天边还有两朵小小的、令人不安的乌云。”

这两朵乌云，指的是当时物理学无法解释的两个实验，一个是热辐射实验，另一个是迈克尔逊一莫雷实验。

事实证明，开尔文不愧为大师。

这两朵小小的乌云，前者导致了发展出量子力学，另一朵则引出了相对论。

量子力学和相对论正是构成近代物理学新摩天大厦的两大支柱，小小乌云转眼成为推翻旧科学大厦的革命风暴。

冥冥中，自有安排。

无论隧道多么幽暗，科学终究会为我们凿出无法阻挡的光。

PS:此文写作数日，深感疲倦，望诸君阅后三点一转，支持鼓励后续。

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