參考消息網4月9日報道 英國《新科學家》周刊網站3月4日刊登題為《量子世界究竟為什么如此怪異？》的文章，作者是量子科學專欄作家卡梅拉·帕達維奇-卡拉漢，內容編譯如下：

  在我上大學之前，我了解到量子物理學是物理學最神秘的分支，其中充滿了能同時存在于兩個地方的粒子、實際上并不波動的波，以及其行為可能取決于宇宙另一端發生的事的物體。我對此驚嘆不已，直到我所在大學物理系組織的一次晚餐改變了我的想法。吃披薩時，我向量子光學專家了解他們的工作。他們一邊咬著油膩的披薩一邊說：“這不過是線性代數而已?！?/p>

  他們如此輕易地消除了量子物理學的神秘感，這讓我震驚。但的確，就把數學計算結果與研究人員在實驗中觀察到的現象進行比較而言，量子物理學的表現出奇地好。從這個意義上說，它即便不是最成功的科學理論，也是最成功的科學理論之一。將所有那些違反直覺、令人費解的量子怪異特性歸結為像某種代數形式那么簡單的東西，并沒有什么不準確的地方。那么，為什么它擺脫不了“怪異”的名聲呢？

  量子直覺

  答案在于量子力學如何與我們有關世界的經驗實現一致(或不一致)。通常，似乎任何量子物體一旦脫離數學領域，就會變得幾乎不可理解。所以，對我來說，量子物理學真正的怪異之處和其大部分魅力在于，它讓我們面對這樣一種可能性，即我們為理解世界而發明的工具是有局限性的。這也讓我想知道自己是否真能培養出量子直覺。

  每一種物理學理論都有自己獨特的數學表達形式。比如，牛頓定律其實就是一組微分方程。牛頓定律可以幫助預測你在爬坡時必須以多快的速度蹬自行車才能避免下滑。電磁學理論則是通過三維微積分來表達的。然而，關鍵在于，你不需要具備求函數導數的專業知識來避免從山上滾下來，也不需要知道什么是向量積來把磁鐵貼在冰箱上。你所需要的只是經驗和身體的本能反應。學習數學后，只不過能對這些現象進行解釋。

  量子物理學也有其獨特的數學表達，但我們如何利用數學來理解量子理論，就遠沒有那么簡單直接了。在一些我們憑直覺認為“不可能”的情形中，數學卻證明并非如此。

  量子理論建立在它的一些著名創立者所做工作的基礎上，這些人包括維爾納·海森堡、埃爾溫·薛定諤和馬克斯·玻恩，他們的工作涉及矩陣、波動方程和概率。就連他們都懷疑，從紙上的數學演算飛躍到我們所體驗的物理世界會異常困難。隨后幾十年發生的事證明，難度大到人們開始懷疑物理學研究到底能否充分捕捉現實。

  薛定諤在1935年撰文稱：“無法通過模型來模仿現實?！彼@物理學家對那個時代的開創性量子實驗的理解中存在空白。海森堡對現實與數學之間的關系更感苦惱。他在1958年出版的《物理學和哲學：現代科學中的革命》一書中探討了這樣一個問題：無法用數學描述的現象是否真會出現？

  雙縫實驗

  讓我們來看看通常被認為最怪異的一種量子行為：粒子可以處于一種疊加態，既不確切地在這里，也不確切地在那里。這是著名的雙縫實驗的關鍵部分。在這個實驗中，一個量子物體，比如一個電子或其他亞原子粒子，朝著一個有兩條狹窄縫隙的屏障運動。屏障后面有一個屏幕，當粒子穿過縫隙時會落在屏幕上并留下印記。

  假設你一次向該屏障發射一個粒子。發射一百次之后，你可能期待在其中一條縫隙正后方的屏幕上發現一個很大的印記，另一條縫隙正后方的屏幕上也有一個大印記，而在兩者之間粒子路徑被阻擋的地方沒有印記。這是一個非常合理的假設，甚至可以說是符合直覺的，但你錯了。

  實際上，你會看到散布于屏幕各處的一個圖案。這表明，粒子到達的地方遠不止每條縫隙的正后方。

  量子理論對這種現象的解釋似乎不怎么有道理，但相關數學演算卻完全合理。一切都取決于一個加號。

  我在大學的第一堂量子物理學課上學到了這個計算過程。首先，你寫下一個表示“粒子通過左縫”的函數，以及一個表示“粒子通過右縫”的函數。然后，在它們之間放上一個加號來施展魔法。接下來，你按照處理“波函數”的完美數學規則進行演算，最終會得出一個違反直覺但卻正確的預測結果，也就是屏幕上出現的那個圖案。

  此時，你可能去翻閱教科書，希望確切理解你剛剛計算的到底是什么。教科書會告訴你，當你寫下那個加號時，你創造了一個特殊的和，被稱為“疊加態”。在這種狀態下，無法判斷粒子通過的是左縫還是右縫。有時，有關解讀更加激進，假定這個加號意味著，粒子同時通過兩條縫。一個數學符號就這樣被賦予了魔力。而到目前為止，還沒有人能夠直接觀察到粒子完成這種神奇的行為。

  如果你考慮進行干預，情況也不會變得更好。在雙縫實驗中，如果你在其中一條縫隙旁邊添加一個探測器，以便更直接地觀察粒子是否確切地通過這條縫隙，屏幕上的圖案就會改變。

  缺乏共識

  有些量子現象更加奇特，比如糾纏現象。數學表明(而且在過去幾十年里我們也看到了相關證據)，可以利用這種現象將一個粒子的量子特性跨越遙遠距離傳送給另一個粒子。一些實驗已經表明，這種方法非常有效，以至于有人正在努力以其為基石打造一種全新的通信系統。這是量子理論的一個勝利：即使是它那些最違反直覺的預測結果也經受住了實驗的檢驗，并且被證明是有用的。

  然而，這是一種令人煩惱的勝利，因為對于如何最好地解讀量子理論，以及確定在所有時間、所有情況下量子物體身上到底發生了什么，大家仍然沒有達成共識。量子理論能夠以一種與我的直覺和經驗不完全相悖的方式，告訴我那個加號到底意味著什么嗎？與學生時代相比，我現在因為這個問題而失眠的次數少了。但具備進行數學演算的能力與體驗現實之間的矛盾仍縈繞著我，揮之不去。

  海森堡認為，這種差距源于我們看待“科研”的方式。我們抱有一種理想化的觀點：將我們自身與世界其他部分區分開來，并將世界視為一個完全可以理解的獨立事物。你可能認為，如果我們能把世界分解成越來越小的部分，我們就能完全理解一切現象。而量子物理學不斷鼓勵我們思考以下問題：事情真這么簡單嗎？

  這就是量子物理學如此令人著迷之處。（編譯/朱捷）