不确定性：量子力学中的最关键点

在上述《科学中最奇怪的现象——再谈量子纠缠》(2018年6月15日《大众科学时报》第三版)发表后，读者问我，“隐形传态是否意味着量子隐形传态可以“超过光速”？

因为在文章的结尾，有人提到:“如果我们接受世界以这种‘怪异’的方式运转，我们可以利用纠缠粒子的远摄效应来做一些有用的事情。例如，人类一直梦想有一天，事物，甚至人类自己，可以在一瞬间从一个地方直接转移到另一个地方，而不经过中间空间，即瞬间运动。这也是我正在创作的长篇科幻小说《超越时空》的科学基础之一

这是一个很好的问题！

事实上，我在上一篇专栏文章中提到，我想在这里强调，到目前为止，光速限制仍然是一个牢不可破的普遍规律。目前已知的物理定律无法突破光速极限，也就是说，量子隐形传输无法突破光速障碍。

因此，上面提到的“传送”仍然是人类的梦想。只有当未来理论得到进一步发展时，比如当可以证明量子之间没有空间时，“隐形传态”，就像阿西莫夫的科幻经典《基地》中的量子跃迁通过超空间一样，才能成为现实，而目前它只是科幻小说中的一个梦。

在前三篇专栏文章中，我们着重介绍了量子力学中最基本的两个概念:叠加态和量子纠缠。它们是根据哥本哈根解释来描述的，这是对量子行为的简明易懂的解释。它们不仅被大多数物理学家所接受，而且被实验所证实。

那么，叠加态和量子纠缠之间的关系是什么？可以说，叠加态是量子纠缠的基础。换句话说，如果没有叠加态，就不会有量子纠缠。

像其他量子属性一样，电子的自旋在被测量之前是模糊和不确定的。只要观察到它，就会发现它要么顺时针旋转，要么逆时针旋转，就像赌场里的轮盘赌一样，最后会随机指向一个区间。

再举一个例子，如果两个电子纠缠在一起，它们必须首先处于叠加态——也就是说，在被观察到之前，它们是如何旋转的还不清楚。如果它们不是重叠的，那么它们就不能相互纠缠。换句话说，量子纠缠是在叠加态和其他约束的基础上形成的。

形成叠加态的基础，甚至是量子力学最关键的一点，是测不准原理(也可以翻译为“测不准原理”)，即“量子力学并不否定客观世界”一文中提到的海森堡测不准原理(《大众科学时报》，第3版，2018年2月9日):在量子力学中，量子的位置和动量不能在观测前同时确定。位置的不确定性越小，动量的不确定性就越大，反之亦然。

首先，让我们介绍一下哥本哈根解释的玻尔角石互补原理:微观物体的涨落和粒子性质是互补的。从概念上讲，微观物体具有波动性或粒子性，有时表现出波动性，有时表现出粒子性，即前一篇文章《谈微观量子世界的基本概念》(科普时报第3版，2018年5月11日)中提到的“波粒二象性”。

因为互补原理指出单一概念不能用来完全描述全局量子现象，为了完全描述全局量子现象，必须包括分别描述波动性和粒子的概念。这两个概念可以看作是同一个硬币的两面。以光为例，当你测量它的粒子属性时，你不能测量它的挥发性，反之亦然。换句话说，不可能同时观察粒子和波动。

例如，如果你看到一个年轻女孩的轮廓，在这幅著名的视错觉图片“年轻女孩和老女人”中，你看不到一个老女人的样子。相反，如果你看到老妇人的样子，你就看不到年轻女孩的轮廓。也就是说，你不可能同时看到一个年轻的女孩和一个年老的女人。

接下来，借用叶立华先生在讲话中用宏观世界现象描述的“不确定性原理”:

摘西瓜:摘西瓜时，许多人总是喜欢先摘西瓜，然后拍拍它们。从西瓜清脆的声音，我们可以看出西瓜是否甜。然而，在西瓜被拍摄后，它的美味度会降低，这不再是测量前的美味度。

测量水温:用传统的温度计测量一小杯热水的温度。当温度计插入热水杯中时，测得的温度将不再是以前的温度，并且肯定会下降。

从以上两个例子中，不难看出测不准原理的基本精神似乎处于两难境地:当你测量某样东西时，无论测量多么微弱，它都会或多或少地干扰它；但是如果你不干涉它，你就不能做测量工作。

正是海森堡表达的不确定性原理(或称不确定性原理)为哥本哈根解释奠定了坚实的基础。换句话说，不确定性是量子力学的关键。

迄今为止，物理学家对量子力学中看似奇怪的现象没有争议。尚未达成共识的只是这些现象的物理过程的细节(如量子纠缠)。因此，对于物理学家来说，革命尚未成功，同志们仍需努力。

(作者是加拿大一个国际财团的风险管理高级顾问和科幻作家)