量子秘密：东西仅一旦我们与它们相互作用存在吗？

量子力学的中心方程薛定谔方程是与经典物理学中发现的方程不一样的。

13.8 — JANUARY 18, 2023

Marcelo Gleiser

Credit: Annelisa Leinbach

关键要点

物理学家越了解量子力学的本质，它变得越奇特。

随人们试图消化他们的理论正在告诉他们什么有无休止的戏剧和战斗。

这一切的根底是一个永恒的问题：我们能真正弄清楚现实的本质吗？

这是探索量子物理学诞生的系列文章中的第七篇。

也许关于量子世界最诡异的东西是一个物体的观念分崩离析。在分子、原子和基本粒子的世界之外，我们有一个一个物体为一个我们能把持的东西的非常清晰的画面。这适用于一扇门、一辆汽车、一颗行星和一粒沙子。移向更小的东西，这个概念仍然对一个细胞、一个病毒和一个像DNA一样的大型生物分子成立。但正是在这里，在分子水平和短于十亿分之一米左右的距离上问题开始。如果我们保持移向越来越小的距离并继续询问存在的物体是什么，量子物理学踢进来。 “东西”变得模糊的，它们的形状不清楚、它们的边界不确定。物体蒸发成云，就像用言语来描述它们一样它们的轮廓难以捉摸的。我们仍然能认为晶体是以某些模式排列的原子组成的------就像我们熟悉的厨房盐一样，它由钠和氯原子的立方晶格组成。

但潜入原子本身，简单的图片在一阵困惑中蒸发。

量子摆动

德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）将这种模糊性归因于他用他所谓的不确定性原理描述的物质的内在的属性。简而言之，该原理声明我们不能以任意的精度确定一个物体的位置。我们越是试图确定它在哪里，它变得越难以捉摸，因为在它的速度中的不确定性增加。对更大的物体如人、一粒沙子、甚至是一个大的生物分子这种影响可以忽略不计。但随我们观察原子或电子等更小的东西它变得关键的。我们能肯定说 “是的，我的笔在我桌子上的这个地方”。在现实中，甚至这个陈述是一个近似值，因为一切摆动。但对更大的物体摆动是如此之小以至于我们能忽略它。但它定义它对一个电子、质子或光子意味的。

这种模糊性对许多量子物理学的建筑师来说是一个可怕的打击，包括欧文·薛定谔、阿尔伯特·爱因斯坦、马克斯·普朗克和路易斯·德布罗意。这些杰出的物理学家是一类量子观点的老卫兵。他们努力尝试将决定论的经典观念带回这幅画面。但电子确实从原子中一个轨道跳到另一个轨道。它们不是像月球围绕地球一样的围绕原子核移动的小球。它们是概率的云。新的量子力学预测了东西，但它从未决定过它们。 

薛定谔的挫败感在当他在哥本哈根拜访尼尔斯·玻尔时一场争吵中爆发了：

薛定谔：如果我们仍然要不得不忍受这些该死的量子跳跃，我很抱歉我从来与量子理论没有有任何关系。

玻尔：但我们剩下的人都非常感谢它，你的波力学以它的数学的清晰和简单性比以前的量子力学形式是一个巨大的进步。

薛定谔的沮丧导致了一个精神崩溃。尽管玻尔夫人在薛定谔病倒在床上时对他表现出了一些同情，但玻尔教授却毫不留情。他保持用支持量子跳跃现实的论据轰炸虚弱的欧文。

玻尔和他的追随者赢了。一个物体的舒适的、具体的概念变化了。一个模糊量子物体的概念占据了上风，即便它清楚的依赖于一个悖论的表达。一个量子物体毕竟当观察者或他们的机器问它是时才是一个东西。像帕斯夸尔·乔丹这样的激进思想家会继续声称量子东西只当我们与它们相互作用时才存在。

秘密的原因

愤世嫉俗者可能会因为浪费时间抛弃这一切。他们可能会说“谁在乎？重要的是我们在实验室中观察的而不是某些东西'是什么'，物理学是关于数据的而不是关于形而上学的推测”。

 我们的愤世嫉俗者有一点的。如果你关心的只是数据，那么在某些装置检测到一个电子之前对电子发生什么并不重要。量子力学的数学难以置信好的预测这些数据应该是的。它不会给你确定性，但它会给你可靠的概率预测。

秘密的原因是量子力学的中心方程薛定谔方程是与经典物理学中常见的方程不一样的。当你想计算一块岩石当投掷时的路径时，牛顿方程将描述岩石的位置在时间中从它的初始位置到最终静止点如何变化。你会期望一个电子运动的方程也会描述它在时间中的位置如何变化。但它不做这样的事情。

事实上，薛定谔方程中毕竟没有电子。取而代之的是电子的波函数。这是封装模糊性的量子对象。就其本身它甚至没有一个意义。真有意义的是它的平方值------它的绝对值，因为它是一个复函数。该值发布电子可能被在空间中这个或那个位置当它被检测到时被发现的概率。波函数是一个可能性的超位。所有可能导致不同结果的途径都在那里。但一旦一个测量被做出，只有一个位置占上风。

 在物理学界中的一场重要斗争

这就是量子超位的本质：它包含所有可能的结果，每个结果都有一定的靠测量被实现的概率。这就是为什么人们说电子在它被测量之前是“不在任何地方的”。没有方程来给它一个精确的位置。在它被测量之前它无处不在，它能可能的被赋予它的情况约束------诸如与它相互作用的力和其中它移动的维度数量等因素。量子力学告诉一个只有一个开始和一个结束的故事。剧情中间的一切都是模糊的。

然后问题是用这个做什么。我们可以采取愤世嫉俗的立场并拥抱我们都关注的是测量的结果的实用方法。许多物理学家对此感到快乐。但如果你相信科学应该更深入探究现实的本质，你将要知道更多的。你将要确保量子力学概率背后没有隐藏的秘密。你将要更深入的探索，希望来发现量子模糊性隐藏的来源，这个明显丧失的物理学中的确定性力量的原因。这就是爱因斯坦、薛定谔、德布罗意和后来的大卫·博姆想要的。来弄清楚现实的真正本质是很高的赌注。与此同时，玻尔、海森堡、乔丹、泡利和其他人告诉人们来接受量子的诡异本质。一场关于相互冲突的世界观之间的战斗即将开始。这是一场今天仍正在进行的战斗，这是我们下一步要去的地方。

https://bigthink.com/13-8/quantum-mystery-interaction/