量子理论的两个基本原理

发布时间：2024-09-19

在物理学的领域中， 量子理论

是由一群杰出的物理学家在20世纪早期的30年间构建而成的。

它描述了分子、原子及亚原子层面上显现出来的一系列现象。

如今，量子理论的某些应用已深入人们的生活之中，但我们对其理解仍不尽全面。

许多量子现象似乎与直觉或日常生活经验相悖，常使得公众感到难以理解，也让物理学家与科学哲学家感到震惊。

量子理论的一些反直觉特征与其概率

性质密切相关。

通常，物理学家无法对单次测量的具体结果进行准确的预测，而只能够评估物理系统可能测量结果的概率。

非定域性

在量子物理学中，一个极其挑战性的概念是 非定域性 （nonlocality）。

非定域性是 爱因斯坦

对量子物理学概率性的异议所反映出来的一种观点。

在1935年，爱因斯坦、 波多尔斯基 （Boris Podolsky）与罗森（Nathan Rosen）在一篇颇具影响力的论文中，质疑了量子理论的完备性。

他们通过一个如今被称为 EPR佯谬

的思想实验，探讨了量子力学与定域性（locality）之间的冲突。

这个思想实验引入了 量子纠缠

的概念，指出若要合乎逻辑地解释纠缠所引发的某些非经典关联，远隔的量子系统必须能够即时交换信息。

例如，当测量纠缠系统中的一个粒子时，即使另一个粒子处于宇宙的另一端，测量结果似乎也会瞬间影响到它。

然而，依照 狭义相对论 ，这种现象是无法实现的。

因此，他们得出的结论是，EPR佯谬源于量子理论的不完备性，并认为这种不完备性可以通过 定域隐变量

来修正，从而使量子物理学的确定性回归与经典物理学相似。

被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”的纠缠现象，始终是量子理论实验的焦点，也是量子信息学的基础。

1964年，英国物理学家贝尔（John Stewart Bell）重新审视了EPR的观点，提出了一种数学形式来描述这一现象，证明了量子系统是具有非定域性的。

通过对比两个纠缠粒子的测量结果，他利用贝尔定理表明，粒子间的强相关性无法用各自特征的定域隐变量来解释，纠缠所携带的信息必需在粒子间非定域共享。

这种无法用任何定域理论再现的强相关性称为 贝尔非局域性 。

2022年， 阿斯佩 （Alain Aspect）、 克劳泽 （John Clauser）和 塞林格 （Anton Zeilinger）因在实验中观测到贝尔非定域性及其他相关成就，被授予诺贝尔物理学奖。

互文性

另一个极具挑战思想的概念似乎反映了相反的方向，即 互文性 （contextuality）。

互文性表明量子物体的测量结果受“ 与境 ”的影响，而与境指的是 发生事件的所有背景细节 ，它为我们提供了有关事件的发生及其过程的重要信息。

举个例子，当你走进车库时，看到那儿停着的是一辆车，而不是一只羊驼。

停车位上停一只羊驼是相当不寻常的事，对吧？但是如果你住在安第斯山脉的牧场上，那可就不稀奇了。

你所在的环境就是与境，它使得羊驼在车库的这一基本事件意义重大。

类似地，在物理测量中，这种互文性描述了观察细节如何影响被观察对象的内容。

这意味着测量结果可能依赖于我们的测量方式或选择的测量组合。

比如，在研究粒子特性时，我们不应认为这些特性具有固定值，而应将其视作语言中的单词，其含义可能因与境而异。

量子力学未能告知我们在没有进行观察时，如电子等粒子到底在做什么。

一个能够提供更多信息的理论或许能让我们理解这些粒子在任何时刻的状态，并明确可测量量的值，例如动量或自旋，即便没有努力去测量它们。

经典的牛顿力学便是拥有此类特征的理论。

经典粒子拥有具体的位置与速度，在未被观察时也能准确测知其状态。

科学哲学家将这种特性称为 确定性 ，因为可测量量具有固定值。

那么，量子力学中是否存在一个“确定”的理论，能全面阐释电子的一切并与量子实验的结果相符呢？

1967年，科亨（Simon Kochen）与 施佩克尔 （Ernst Specker）提出，
一个量子系统无法拥有能在所有条件下定义其所有属性的隐变量 。

这一理论后来归入 科亨-施佩克尔定理 ，表明一个可描述量子粒子在未观察时行为的理论必定是互文的。

换句话说，电子的速度与自旋值必然是依赖于我们的测量方式。

大约在同一时期，贝尔也发现了类似结果，表明 任何能再现量子物理预测的隐变量理论必然呈现互文性 。

新研究

非定域性与互文性是与量子理论一起出现的，但数十年来它们各自独立发展。

2014年，科学家在一个特殊案例研究中发现，量子系统只能观察到非定域性和互文性中的一种。

这一发现被称为单配性（monogamy）。

科学家们推测，非定域性与互文性可能是以不同方式观察到的相同现象。

然而，一项由中国与巴西科学家开展的研究显示，理论与实验上事实却并非如此。

他们证明了 这两种现象可以在量子系统中同时存在 。

这个几何图形展示了实验中所有测量值之间的兼容关系。

每个测量值由一个顶点表示，由边连接的顶点即代表兼容的测量值。“观察者A”（红点）的两个测量值与“观察者B”（蓝点）的所有测量值兼容。

B的测量值的兼容性用浅蓝色七边形表示。

2×2的兼容测量集是联合兼容的。

(图/Rafael Rabelo/UNICAMP)

这项新的研究明确指出，量子物理学与经典物理学的两种基本方式可在同一系统中同时被观察到，挑战了传统看法。

因而，非定域性与互文性显然并非同一现象的互补表现。

实际上，非定域性是量子加密的重要资源，而互文性则是特定量子计算模型的基础。