量子力学是支配原子和粒子微观世界的理论，几十年来一直令物理学家惊叹不已、着迷不已。
但无论是在聊天论坛、媒体还是科幻作品中，关于量子力学的讨论常常因一些根深蒂固的迷思而变得混乱。
本文将梳理其中四个迷思，从对量子纠缠的误解，到“薛定谔的猫”所呈现的悖论。
量子力学是支配原子和粒子微观世界的理论，确实魅力十足。与物理学的许多其他领域不同，它既奇异又违反直觉，因此令人惊叹、着迷。2022年诺贝尔物理学奖颁发给阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·蔡林格，以表彰他们在揭示量子力学方面的研究，这引发了热烈的关注和讨论。
但无论是在聊天论坛、媒体还是科幻作品中，关于量子力学的讨论常常因许多根深蒂固的迷思和误解而变得混乱。以下是其中四个。
1. 一只猫可以既死又活
埃尔温·薛定谔大概从未料到，他的思想实验——薛定谔的猫——会在21世纪成为网络迷因。
这个思想实验设想，一只倒霉的猫被关在盒子里，盒中有一个由随机量子事件（例如放射性衰变）触发的致命装置；只要我们不打开盒子查看，它就可能同时处于生与死的状态。
我们早已知道，量子粒子可以同时处于两种状态——例如同时位于两个地方。我们称之为叠加态。
科学家通过著名的双缝实验展示了这一现象：单个量子粒子（如光子或电子）可以同时穿过墙上的两条不同狭缝。我们怎么知道这一点？
在量子物理学中，每个粒子的状态也是一种波。但当我们将一束光子逐个送过狭缝时，它们会在狭缝后方的屏幕上形成两列波相互干涉的图样。每个光子穿过狭缝时都没有其他光子可以与之干涉，这意味着它必定同时穿过了两条狭缝——与自身发生干涉。
不过，要实现这一点，粒子同时通过两条狭缝所形成叠加态中的各个状态（波）必须是“相干的”——彼此之间具有明确的关系。
这类叠加态实验可以用尺寸和复杂程度不断增加的物体来进行。安东·蔡林格在1999年进行的一项著名实验展示了大分子中的量子叠加态，这些分子由碳-60组成，俗称“巴基球”。
那么，这对可怜的猫意味着什么？只要我们不打开盒子，它真的就既活着又死了吗？显然，猫与受控实验室环境中的单个光子截然不同，它的体型大得多，也复杂得多。构成猫的数以万亿计的原子彼此之间可能存在的任何相干性，都极其短暂。
这并不意味着生物系统中不可能存在量子相干性，只是它通常不适用于猫或人类这样的大型生物。
2. 简单的类比可以解释纠缠
纠缠是一种量子性质，它将两个不同的粒子联系起来，因此，只要测量其中一个，无论它们相距多远，你就会自动、立即知道另一个粒子的状态。
对纠缠的常见解释通常会借助我们经典宏观世界中的日常物品，例如骰子、纸牌，甚至颜色奇特的一对袜子。比如，设想你告诉朋友，你把一张蓝色纸牌放进一个信封，把一张橙色纸牌放进另一个信封。如果朋友拿走一个信封并打开，发现里面是蓝色纸牌，他就会知道你手里有橙色纸牌。
但要理解量子力学，你必须设想信封里的两张纸牌处于联合叠加态，也就是说，它们同时既是橙色又是蓝色（具体而言，可能是橙/蓝，也可能是蓝/橙）。打开一个信封，会随机揭示一种颜色。但打开第二个信封时，仍总会看到相反的颜色，因为第二张牌与第一张牌存在一种“诡异”的关联。
我们可以迫使纸牌呈现另一组颜色，这类似于进行另一种测量。我们可以打开一个信封，问：“你是绿色牌还是红色牌？”答案仍然是随机的：绿色或红色。但关键在于，如果两张牌处于纠缠态，那么用同样的问题询问另一张牌时，它仍总会给出相反的结果。
阿尔伯特·爱因斯坦试图用经典直觉解释这一现象，提出纸牌可能预先获得了一套隐藏的内部指令，告诉它们面对某个问题时该呈现什么颜色。他还否认纸牌之间看似存在的“诡异”作用，因为这种作用似乎能让它们瞬间相互影响，这意味着通信速度超过光速，而这违反了爱因斯坦的理论。
然而，爱因斯坦的解释后来被贝尔定理（物理学家约翰·斯图尔特·贝尔提出的一项理论检验）以及2022年诺贝尔奖得主进行的实验所排除。测量一张纠缠纸牌会改变另一张纸牌状态的说法并不成立。量子粒子只是以一种神秘的方式相互关联，而这种关联无法用日常逻辑或语言描述——它们既没有相互通信，也没有像爱因斯坦所想的那样携带隐藏代码。因此，思考纠缠时，别再拿日常物品作类比。
3. 自然并不真实，且具有“非定域性”
人们常说，贝尔定理证明自然并非“定域的”，也就是说，一个物体并非只受其直接周围环境的影响。另一种常见解读是，该定理意味着量子物体的性质并不“真实”，即它们在测量之前并不存在。
但贝尔定理只允许我们说：如果同时接受其他一些假设，那么量子物理学意味着自然不可能既真实又定域。这些假设包括：测量只有一个结果（而非多个结果，或许分别存在于平行世界中）；因果关系沿时间向前发展；我们并非生活在一个“发条宇宙”中——在这样的宇宙里，自时间之初起，一切就已注定。
尽管有贝尔定理，自然仍可能既真实又定域，前提是你允许打破一些其他假设，例如我们视为常识的时间向前流动。进一步的研究有望缩小量子力学各种可能解释的范围。然而，目前提出的大多数选项——例如时间向后流动，或自由意志不存在——至少和放弃局域实在这一概念一样荒谬。
4. 没有人理解量子力学
经典名言（据称出自物理学家理查德·费曼，但这一版本也转述了尼尔斯·玻尔的话）这样说：“如果你认为自己理解量子力学，那你就不理解它。”
公众普遍持有这种看法。人们认为量子物理学根本无法理解，连物理学家也不例外。但从21世纪的视角来看，对科学家而言，量子物理学在数学和概念上都并非特别难懂。我们对它的理解非常透彻，能够高精度地预测量子现象、模拟高度复杂的量子系统，甚至已开始制造量子计算机。
用量子信息的语言解释叠加态和纠缠，只需要高中数学知识。贝尔定理完全不需要量子物理学知识，用概率论和线性代数几行就能推导出来。
真正的难点或许在于，如何让量子物理学与我们凭直觉感知的现实相协调。没有所有答案，也不会阻止我们继续推进量子技术。我们只需闭嘴，计算。
幸运的是，阿斯佩、克劳泽和蔡林格这几位诺贝尔奖得主没有闭嘴，而是继续追问原因。像他们这样的人，或许有朝一日能帮助我们调和量子世界的奇异性与现实经验。
