粒子真的能同时处在两个地方中吗？

当谈论量子物理学时，人们将往往漫不经心的说粒子能以同时处在两个地方中。物理学家萨宾霍森菲尔德探索实际上正在进行的

新科学家By Sabine Hossenfelder

11 July 2022

PHYSICS 

Russell Knightley/Science Photo Library

以下是一个来自我们的《迷失在空时中》时事通讯的摘录。每个月，我们都会把键盘交给一两个物理学家来，告诉你关于来自他们的宇宙角落的迷人想法。您能注册《迷失在空时中》 here.

量子世界是一个奇怪的地方。如果你观察一个物体，它变化。如果你知道它正在多快移动，你不能知道它在哪里。测量发生在过去的结果能似乎以后被抹去。粒子有时是波并且能同时处在两个地方中。猫可能既死又活着。这些是当我们谈论量子世界时说的事情，但这真的是正在进行的吗？

量子力学是一个非常成熟的理论。它已经通过了它从来已经遭受过的每一次测试。它支撑我们在过去一个世纪中看到的许多技术进步，离散能级因量子力学的好意来到了我们，如果没有离散能级电子学会是什么呢？我们有数学，我们知道怎样来工作它，而甚至在一个世纪的辩论后，我们不知道量子力学的数学意味的。

让我们举个例子：粒子能同时处在两个地方中。我们熟悉粒子一次在一个地方------比如说，一个电子，它撞击一个屏幕并留下一个点。正如我们期望的，这些粒子在量子力学中作为一个方程的可能解出现。

但量子力学是一个线性理论，这意味着如果处在特定地方中的粒子存在，那么这些粒子的总和也一样这样做。我们称这些总和为“超位”。处一个地方中的粒子加上处在另一个地方中的相同粒子是什么呢？它不是两个粒子------这会被一个乘积描述，而不是一个总和。你可能说如果我们有一个总和，那么这就是一个处在两个地方中的粒子吗？嗯，已经说过很多次了，如此可以说一个能的。

然而，我不知道一个超位是什么，而不是一段我们按秩序需要来来解释我们观察到的的数学。我们需要超位，因为它们赋予粒子它们的波一样属性。当我们看到波在水中干扰时-----在一个波峰与波谷相遇的地方抵消掉------这是一种非量子效应，正如物理学家所说这是一种“经典”效应。但原来是单个粒子能干扰它们自己。当我们通过在一个板中的两个薄缝（一个双缝）发送一个单个光粒子或光子时，正如预期的我们看到在板后面的屏幕上的一个点。但是，如果我们继续对

我们能解释这种模式的唯一方法是每个粒子是一个两条路径的总和------一个超位，一条穿过左边的狭缝，一条穿过右边的狭缝。如此为什么不刚好说粒子走两条路呢？

我不喜欢这句话有两个原因。一个是一个两条路径的超位不是某些空间中的东西。它属于一个抽象的叫希尔伯特空间的数学结构。它只是在物理空间中没有类似物。这就是为什么我们找不到好的词来形容它。它不属于我们知道的世界中，这完全是某些另外的东西。

这些超位的另一个问题是在它们存在于数学中的同时，我们没有观察到它们。当我们观察一个粒子时，它要么在一个地方要么不在。真的，如果我们测量光子穿过哪个狭缝，干涉图案消失。当我们从来没有看到它这样做时说一个粒子真的走两条路径有什么意义呢？

因此相当无聊的真相是超位是有某些属性的数学结构。这不是某些我们从来体验的东西，如此所有的类比和隐喻都失败。量子世界对我们似乎是“奇怪的”和“诡异的”，因为我们试图用指我们日常体验的词语来解释它。這就是為什麼你阅读关于貓的令人困惑的科學文章，能断定的被從它们的狞笑分開或者体验假定的表明現實不存在的实验。这些文章对我并不比也对你更有任何意义------这是因为它们确实真的没有意义。

我应该在这里承认，我大多是一个工具主义者。我不认为我们理论的数学是本身真实的------我对说它是一个我们用来描述自然并留它在这个上的工具宽慰的。我对生活在抽象数学空间中的超位没有争吵，只要它们是提供正确预测的工具------它们确实如此。

但我也是一名科学作家，因此我认识到一个问题：将数学定义堆块在毫无戒心的读者身上并不是一种来建立一个观众的承诺方式。即使我们愿意失去读者，这也无助于解释数学中正在发生的事情的目标。因此，我们放弃准确的描述比如超位或希尔伯特空间，对制造头条新闻的无狞笑猫和其他荒谬性。摆脱这个难题没有简单的方法。我承认我自己已经使用过，并且很可能会继续使用“同时处在两个地方中”表达。因为至少我的听众熟悉它，这是某些有价值的东西。

不过，每隔一段时间，我认为我们应该提出这个数学表达式，以便从长远我们的读者会习惯它们。这种情况以前发生过：我们已经变得习惯于谈论电场和磁场，甚至电磁辐射。这些也是在我们直接体验之外的抽象数学实体。但是电磁学已经变成我们教育的一个基本组成部分，我们舒适地谈论它。

还有另一个原因，我们不应该假装它是一个没有好的口头解释的数学结构的一个谜，那就是它分散来自量子力学有的实际问题。你可能会已经把我当成一个闭嘴和计算的人，正如物理学家大卫·默明（David Mermin）所说的那样。你应该是对的。但这正是为什么我对量子力学有问题的。量子力学告诉我们在一个测量行为中发生的，而它并没有解释一个测量是什么。我们不能计算它。然而，我们知道一个测量是使量子效应消失的。

我们不了解量子效应怎样消失被埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）用他著名的猫思想实验描述。薛定谔提出了一个既衰变又不衰变的原子可以被用来触发一个毒素的释放，然后既杀死猫又不杀死猫。这个论点表明如果没有一个测量的行为，超位能变的被放大到宏观尺寸。但是我们没有观察到既死又活的猫，因此给什么呢？

对这个难题的标准回答是猫恒定的被测量。不是由我们，而是被空气分子甚至宇宙微波背景中的辐射。故事是这样的，这些测量使量子效应非常快的消失。但这真的只是一个不被数学中诞生的故事。对于像我一样闭嘴和计算的人来说，这真的是一个真正的问题。

因此，在我的思维中在媒体中的量子劝说扩散分散来自对量子力学核心的真问题：我们不知道一个测量是什么。量子力学是奇怪的，是的。但是，我们不要假装它比实际更奇怪。

萨宾霍森菲尔德（Sabine Hossenfelde）r，专门探索我们的物理学非常基础的理解。她主持流行的YouTube频道Science without the gobbledygook，她的最新著作《存在物理学：一位科学家对生命中最大问题的指南》将于八月在英国、美国和加拿大出版。她的迷失在空时来信采纳一个量子物理学的核心原则：粒子真的能同时处在两个地方中吗？

https://www.newscientist.com/article/2328087-can-particles-really-be-in-two-places-at-the-same-time/