量子力学的不完备性，会引发新的物理学变革吗？

BIGBON

作为现代物理学的两大支柱之一，量子力学描述了微观粒子是如何发生相互作用的。在人类已知的四大基本作用力中，除了引力之外的三个都已经在量子力学中得到统一。
两个物体靠得越近，它们对彼此施加的作用力就越大。如果它们离得太远，作用力就会降到零。这就是所谓的定域性原理，它几乎在任何情况下都是成立的。但在量子力学中，定域性原理一直被违背。定域性可能只是一种错觉，而看穿这种表象可能正是物理学所需要的。
假设有两个物体彼此靠近，它们会根据电荷和它们之间的距离出现相互吸引或排斥的作用。这可以想象成一个物体产生了能够影响另一个物体的场，或者两个物体交换粒子，使它们之间产生推力或拉力。

当然，这种相互作用会有一个速度限制，那就是光速。根据狭义相对论，因为负责力传播的粒子不会以超光速运动，速度只能小于等于光速。
另一方面，基于生活经验，我们建立起了因果关系的概念，这是少有的符合我们直觉的物理学观点之一。对于宇宙中的任一个观测者而言，都有一系列存在于过去和未来的事件。
在相对论中，这些事件要么包含在过去的光锥中，要么包含在未来的光锥中。可以看到、感知到或以其他方式影响观测者的事件被称为因果关联。从过去到未来，信号和物理效应都能以光速传播，但不会超光速。至少，这是人们的现实直觉。

但在量子宇宙中，相对论因果关系的概念并非那样简单或普遍。根据不确定性原理，在对粒子进行测量之前，它们的状态是不确定的。在观测粒子之前，它们处于所有可能状态的叠加，这就是所谓的叠加态。
另外，也可以把两个量子粒子纠缠在一起，这样这两个发生量子纠缠的粒子就有了相同的量子性质。当测量其中一个纠缠粒子时，不仅确定了该粒子的状态，而且还能同时知道另一个纠缠粒子的状态。
上述的量子现象已经够反直觉了，而下述的量子现象更是打破人们的传统认知：假如在时空的特定位置制造出一对纠缠粒子，然后，把它们之间的距离拉开任意远，同时保持量子纠缠。如果测量其中一个粒子的状态，瞬间就能知道相距遥远的另一个粒子的状态，这是爱因斯坦所无法认同的“幽灵般的超距作用”。

令人困惑的是，直到很久以后，观测者才能检测这个信息是否正确，因为光信号从另一个地方传播到另一个地方需要时间。当信号到达时，对远处纠缠粒子状态的期望会与测量结果100%一致。
在这种情况下，观测者“知道”关于非本地或者说光锥之外发生的测量信息。然而，观测者并不完全不知道那里发生了什么。尽管没有任何信息的传播速度超过光速，但这种测量描述了量子物理中一个令人不安的事实——它本质上是一个非定域理论。
但需要注意的是，测量一个纠缠粒子的状态并不能告诉我们另一个的确切状态，只能知道相关概率信息。由于没有办法超光速发送信号，只能使用这种非定域性来预测纠缠粒子特性的统计平均值。

从爱因斯坦到薛定谔再到德布罗意，没有物理学家能提出更好的量子力学改进版。不过，现在还有物理学家正在试图做到这些。
其中之一是圆周理论物理研究所的物理学家Lee Smolin，他早在2003年就写过一篇论文，展示了量子引力的一般概念与量子物理的基本非定域性之间的有趣联系。虽然物理学家还没有建立起一个成功的量子引力理论，但他们已经建立了一些有关量子引力理论的重要性质。

当试图使引力量子化时，通过用粒子交换来代替广义相对论中的时空弯曲概念来传递引力，这就会违背定域性。但如果观测这些违背定域性行为的后果，就会发现可以够通过新的、非定域性的、不可观测的变量来解释量子力学的非定域性行为。
那么，在不完备的量子力学中能否诞生新的理论，并引发新的物理学变革？爱因斯坦未完成的大统一理论能否实现？广义相对论和量子力学能否最终统一起来？这些都有待时间给出答案。
延伸阅读：
没有人真正理解量子力学？你是否也有这些误解？
多年来，我一直在推广自己的研究领域——量子物理学。一般公众都觉得这是个很吸引人的话题，书籍和杂志封面也常常表现它的神秘。然而，在物理学的这个领域中出现了许多误解，我写这篇文章的目的就是要通过事实来揭穿这其中的6个错误观念。别担心，你并不需要了解多少的量子物理学知识才能阅读这篇文章。我不是要解释什么是量子物理学，而是主要要解释它不是什么……
1、“量子物理学全都是关于不确定性”
并不是！事实上，量子物理学可能是人类创造的最精确的一门科学。它能够以极高的精度预测某些性质，甚至可以精确到小数点10位之后，这都在后来的实验中得到了证实。这种错误观念部分来源于海森堡的“不确定性原理”。海森堡指出，当同时测量两个量时，比如一个粒子的速度和位置，测量的精确性是有限度的。但是当量子物理学被用来计算其他的物理量时，比如能量或者原子的磁性，它可以达到惊人的精确度。
2、“量子物理学无法被可视化”
量子物理学描述的对象通常有些“奇怪”，而且很难描述出它们的图像，比如波函数、叠加态、概率幅、复数等等。人们常说，只有用数学方程和符号才能理解这些概念。尽管如此，我们物理学家在教导和推广这些概念时，仍然会描述它们的图像。我们会使用图表、绘画、隐喻、投影仪和许多其他设备。

这些都没什么，因为不仅是学生，甚至像我们这样资深的量子物理学家也需要在头脑中对正在摆弄的对象形成一幅图像。有争议的部分在于这些图像的准确性，因为我们很难准确地表示一个量子对象。通过与设计师、插画家和视频制作者合作，Physics Reimagined（重新想象物理学）研究小组试图以所有可能的形式来“绘制”量子物理学：折纸、视觉文学、雕塑、3D动画等等。
3、“即使科学家也不懂量子物理学”
量子物理学领域的一位领军人物费曼曾说过：“我想我可以有把握地说，没有人真正理解量子力学。”但他接着马上补充说：“我将告诉你们大自然是如何运作的。”这个学科的奠基人之一玻尔给出了一个很好的总结：“那些在第一次接触量子理论时没有被震撼的人，不可能真正理解它。”当物理学家在处理量子的数学形式描述时，他们确实明白自己在做什么。他们只是需要让自己的直觉适应这个新领域及其内在的矛盾。
4、“少数几个杰出的理论学家提出了量子物理学的整个概念”
量子物理学的整个历史恰恰表现了完全相反的事实。一开始，在实验室中出现了一些意想不到的结果，比如光电效应、黑体辐射、原子的光发射光谱。直到后来，当爱因斯坦、普朗克、玻尔和其他人试图提供解释时，这一领域才有了杰出理论学家的加入。
随后基础实验继续跟进，包括会从镍上诡异地反弹的电子，因磁场而发生奇怪偏转的银原子，以及在低温下可以完美导电的金属等等。然后理论和概念再次出现，出现了对偶性、自旋以及超导性等概念。理论与实践之间这种富有成效的来回交流是建立物理学的根基。除了极少数情况外，通常都是实验最先出现。
5、“爱因斯坦是量子物理学最大的敌人”
爱因斯坦经常被描述为一个对量子物理学充满恶意的反对者，这可能是因为他的那句名言：“上帝不会和宇宙玩掷骰子。”然而事实是，他不仅不反对量子力学，而且他还创造了量子力学！1905年，在普朗克的工作基础之上，爱因斯坦写了一篇基础性的文章——《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。在这篇文章中，爱因斯坦提出，光是由小的、独立的、一份一份的物体组成的，它们名为光子。事实上，让它获得诺贝尔奖的正是这项工作，而不是他在相对论方面的研究。

爱因斯坦之所以留下这样的“恶名”可能是源于他与玻尔关于量子力学的论战，尤其是关于诠释和量子实在的概念，因为他不接受非定域性的概念。后来，关于量子纠缠和违背贝尔定理的实验证明了爱因斯坦是错误的，并证明了隐变量的缺失。爱因斯坦完全理解量子物理学的相关性，他只是对它的一些含义有所疑虑，特别是在于定域性有关的问题上。
6、“量子物理没有实际用途”
量子物理学可能是现代物理学中最有用的学科。一旦物理学家理解了光、原子和电子的工作原理，就能对它们进行操纵。激光、医院里的核磁共振成像、LED灯、闪存、硬盘，还有更重要的晶体管和电子器件，所有这些技术都是量子物理学家发明的。就是这些啦！我希望我破除了量子物理学的一些神秘。最后我想说的是，量子物理学是一门与其他任何科学都一样的学科……


本文选自：今日头条