隐变量理论能拯救量子力学吗？
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以下文章来源于返朴 ，作者Ethan Siegel
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物理学家并没有完全排除隐变量的存在，是否有什么内在固有的东西我们还不了解？我们不知道，我们只知道——量子力学真的非常神奇。
除了我们已经了解并知道如何测量的变量之外，可能还有其他变量。但它们仍然无法使我们摆脱量子诡异的困境。
众所周知，光同时具有波动性和粒子性，正如这张2015年的照片所示。人们不太了解的是，物质粒子也会表现出类似的波动性。即使是像人这样巨大的物体也具有波动性，尽管测量它们极其困难。图片来源：Fabrizio Carbone/EPFL
该图说明了位置和动量之间固有的不确定关系。当我们对两者之一了解得越多时，对另一个从根本上就不可能了解得很精确。其他共轭变量对，包括能量和时间、在两个垂直方向上的自旋、角位置和角动量，也表现出相同的不确定性关系。图片来源：Maschen/Wikimedia Commons
但在量子世界中，情况不再如此。量子世界中存在一种内在的不确定性，你能多大程度地同时了解物体各种各样的性质，是不确定的。例如，如果你试着测量一个粒子的:
位置和动量；
能量和寿命；
在任意两个垂直方向上的自旋；
或者角位置和角动量；
通过磁铁的粒子束可能产生因粒子自旋角动量导致的量子化-离散的结果（5），或者是经典-连续的结果(4)。这个实验被称为斯特恩-格拉赫实验，它展示了一些重要的量子现象。图片来源：Tatoute/Wikimedia Commons
当你让一组粒子通过一个斯特恩-格拉赫磁铁时，它们会根据自旋而偏转。如果你让它们通过第二个垂直的磁铁，它们会在新的方向上再次分裂。如果再加入第三个磁铁，并且和第一个方向相同时，粒子束会再次分裂，证明之前获得的确定的信息将被最近的测量随机化。图片来源：MJasK/Wikimedia Commons
尽管在量子层面上，实在性似乎是变化无常的、不确定的，而且本质上是无法确知的，但许多人坚定地相信，可能存在我们看不见的性质，这些性质决定了独立于观察者的客观现实的真实情况。截至2022年底，我们还没有发现任何此类证据。
“蒙面”双缝实验的结果。注意当第一个狭缝(P1)、第二个狭缝(P2)或两个狭缝(P12)都打开时，看到的图案将非常不同，这主要取决于有一个还是两个狭缝是打开的。图片来源：R. Bach et al., New J. Phys., 2013
这张图说明了惠勒延迟选择实验。在上图中，光子先通过分束器，在这里它将选择红色或蓝色的路径，并到达两个探测器之一。在下图中，在末端放置了第二个分束器，此时路径将组合产生干涉图案。延迟配置的选择对实验结果没有影响。图片来源：Patrick Edwin Moran/Wikimedia Commons
在经典力学(a)和量子力学(B-F)中，粒子在盒子(也称为无限深方势阱)中的轨迹。在(A)中，粒子以匀速运动，来回弹跳。(B-F)为时间依赖的薛定谔方程的波函数解，各图中势场的几何形状和强度都相同。横轴为位置，纵轴为波函数实部(蓝色)或虚部(红色)。这些稳态(B, C, D)和非稳态(E, F)只能表示粒子出现的概率，而非粒子在某个特定时刻出现的具体结果。
各种量子诠释以及各种性质的匹配。尽管存在差异，但尚无已知实验可以区分这些不同的解释，尽管可以排除某些诠释，例如具有局域性、实在性、确定性隐变量的诠释。图片来源：English Wikipedia page on Interpretations of Quantum Mechanics
量子擦除实验装置。两个处于纠缠态的粒子分离后分别被测量。一个粒子在终点的改变不会影响另一个粒子的结果。你可以把类似于量子擦除之类的原理和双缝实验结合起来，看看如果你保留或破坏、观察或不观察，那些因通过狭缝被测量而创造的信息本身会发生什么。图片来源：Patrick Edwin Moran/Wikimedia Commons
Ethan Siegel ，天体物理学家、作家和科学传播者，教授物理学和天文学。自2008年以来，其博客“从大爆炸开始”(Starts With A Bang!)赢得了很多科学写作奖，包括物理研究所颁发的最佳科学博客奖。作者并著有：Treknology：The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive，以及Beyond the Galaxy等。
本文转载自《返朴 》微信公众号
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