隐藏变量能拯救量子物理学吗？

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　　除了我们已经确定并知道如何衡量的变量之外，可能还存在其他变量。但他们都无法摆脱量子怪异。
　　正如这张2015年的照片所示，众所周知，光同时表现出波状和粒子状的特性。鲜为人知的是，物质粒子也表现出类似波浪的特性。即使像人类这样巨大的物体也应该具有波动特性，尽管测量它们会很困难。
　　关键要点自从第一个实验开始揭示宇宙的量子本质以来，人们就想知道非决定论是根本性的还是只是我们无知的一种衡量标准。
　　后一种思路受到像爱因斯坦这样才华横溢的头脑的青睐，引导人们考虑隐藏变量的可能性：我们无法完全感知的东西决定了我们的现实。
　　事实证明，我们不能排除隐藏的变量，但我们可以对它们施加巨大的限制，表明现实从根本上说真的很奇怪。
　　自从发现量子系统的怪异行为以来，我们就不得不考虑一个看似令人不安的事实。无论出于何种原因，我们所感知的现实物体在哪里以及它们拥有什么属性似乎并不是从根本上确定的。只要你不测量或不与你的量子系统相互作用，它就以不确定的状态存在；我们只能在统计和概率意义上谈论它拥有的属性和任何潜在测量的结果。
　　但这是否是自然界的基本限制，在进行测量或发生量子相互作用之前存在固有的不确定性？或者在我们所见的背后是否存在完全可预测、可理解且确定的隐藏现实？这是一个令人着迷的可能性，不亚于阿尔伯特爱因斯坦的巨人都喜欢这种可能性。
　　现实是一件复杂的事情，尤其是涉及到量子现象时。让我们从最著名的量子不确定性例子开始：海森堡不确定性原理。
　　该图说明了位置和动量之间固有的不确定性关系。当一个被更准确地了解时，另一个本质上就不太可能被准确地了解。其他一对共轭变量，包括能量和时间，在两个垂直方向上自旋，或角位置和角动量，也表现出同样的不确定关系。
　　在经典的宏观世界中，不存在测量问题。如果你拿任何你喜欢的物体喷气式飞机、汽车、网球、鹅卵石，甚至一粒灰尘，你不仅可以测量它的任何你想测量的特性，而且可以根据物理定律我们知道，我们可以推断出这些属性在任意遥远的未来会是什么。牛顿、爱因斯坦和麦克斯韦的所有方程都是完全确定的；如果你能告诉我你的系统甚至你的宇宙中每个粒子的位置和运动，我可以准确地告诉你它们将在哪里以及它们在未来的任何时候将如何移动。我们唯一的不确定性是由我们用来进行测量的设备的限制决定的。
　　但在量子世界中，这不再是事实。您同时了解多种属性的程度存在固有的不确定性。如果您尝试测量，例如粒子的：位置和动量，能源和寿命，沿任意两个垂直方向旋转，或其角位置和角动量，
　　你会发现同时知道这两个量的程度是有限的：它们的乘积不能小于某个基本值，与普朗克常数成正比。
　　通过磁铁发射的粒子束可以为粒子的自旋角动量产生量子和离散（5）结果，或者，或者，经典和连续（4）值。这个实验被称为SternGerlach实验，证明了许多重要的量子现象。
　　事实上，当您以非常高的精度测量一个这样的量时，另一个互补量的不确定性会自发增加，因此乘积总是大于特定值。上面显示的一个例子是SternGerlach实验。电子、质子和原子核等量子粒子具有固有的角动量：我们称之为量子自旋，尽管实际上没有任何东西围绕这些粒子旋转。在最简单的情况下，这些粒子的自旋为，无论您测量它的方向是正向（）还是负向（）。
　　现在，这就是它变得奇怪的地方。假设我通过一个特定方向的磁场射出这些粒子最初，它们使用的是银原子。一半的粒子将在一个方向上偏转（对于自旋的情况），一半在另一个方向上偏转（对应于自旋的情况）。如果现在让这些粒子通过另一个方向相同的SternGerlach装置，将不会进一步分裂：粒子和粒子将记住它们分裂的方式。
　　但是如果你让它们穿过一个垂直于第一个方向的磁场，它们会再次在正负方向上分裂，就好像在这个新的方向上仍然存在不确定性，哪些是，哪些是方向。而现在，如果你回到原来的方向再施加一个磁场，它们又会回到正负方向分裂。不知何故，在垂直方向上测量它们的自旋不仅确定了那些自旋，而且以某种方式破坏了你之前知道的关于原始分裂方向的信息。
　　当一组粒子通过单个SternGerlach磁铁时，它们会根据自旋发生偏转。如果你让它们穿过第二个垂直的磁铁，它们会在新的方向上再次分裂。如果你然后用第三个磁铁回到第一个方向，它们会再次分裂，证明先前确定的信息被最近的测量随机化了。
　　传统上，我们对此的看法是认识到量子世界存在一种永远无法完全消除的内在不确定性。当你在一个维度上精确地确定你的粒子的自旋时，垂直维度中相应的不确定性必须变得无限大以进行补偿，否则将违反海森堡不等式。没有欺骗不确定性原理；您只能通过测量获得有关系统实际结果的有意义的知识。
　　但长期以来，人们一直有另一种想法：隐藏变量的想法。在隐藏变量场景中，宇宙确实是确定性的，量子具有内在属性，使我们能够准确预测它们的最终位置以及任何量子实验的提前结果，但一些控制变量在我们目前的现实中，我们无法衡量这个系统的行为。如果可以的话，我们就会明白我们观察到的这种不确定行为仅仅是我们自己对真正发生的事情的无知，如果我们能够找到、识别和理解这些真正构成现实基础的变量的行为，量子宇宙终究不会显得那么神秘。
　　尽管在量子层面上，现实似乎是不稳定的、不确定的，而且本质上是不确定的，但许多人坚信，可能存在我们不可见的属性，但这些属性决定了独立于观察者的客观现实的真正可能是。截至2022年底，我们尚未找到任何此类证据支持这一说法。
　　我一直构想隐藏变量的方式是想象宇宙，在量子尺度下，有一些我们不理解但我们可以观察其影响的动力学来控制它。这就像想象我们的现实被连接到底部的振动盘上，我们可以观察到盘子上的沙粒。
　　如果你能看到的只是沙粒，那么在你看来，每个个体都会以某种固有的随机性振动，而且沙粒之间甚至可能存在大规模的模式或相关性。但是，由于您无法观察或测量谷物下方的振动板，因此您无法了解控制系统的全套动力学。你的知识是不完整的，看似随机的东西实际上有一个潜在的解释，尽管我们并不完全理解。
　　这是一个有趣的探索想法，但就像我们物理宇宙中的所有事物一样，我们必须始终通过我们物质宇宙中的测量、实验和观察来面对我们的想法。
　　蒙面双缝实验的结果。请注意，当第一个狭缝（P1）、第二个狭缝（P2）或两个狭缝（P12）打开时，您看到的图案会非常不同，具体取决于一个或两个狭缝是否可用。
　　其中一个实验在我看来是所有量子物理学中最重要的实验双缝实验。当你甚至将一个量子粒子发射到双缝时，你都可以在背景屏幕上测量该粒子着陆的位置。如果你随着时间的推移这样做，数百、数千甚至数百万次，你最终将能够看到出现的模式是什么样子的。
　　不过，这就是它变得奇怪的地方。如果你不测量粒子穿过两条狭缝中的哪一条，你会得到一个干涉图样：粒子很可能着陆的点，以及粒子不太可能着陆的点。即使你一次一个地让这些粒子通过，干涉效应仍然存在，就好像每个粒子都在自我干涉一样。但是，如果您确实测量了每个粒子穿过的狭缝例如使用光子计数器、旗帜或通过任何其他机制，那么干涉图样就不会出现。相反，你只会看到两个团块：一个对应于通过第一个狭缝的粒子，另一个对应于通过第二个狭缝的粒子。
　　而且，如果我们想进一步尝试确定宇宙中实际发生的事情，我们可以进行另一种类型的实验：延迟选择量子实验。
　　这张图片展示了惠勒的延迟选择实验之一。在顶部版本中，光子通过分束器发送，它将采用红色或蓝色路径，并击中一个或另一个探测器。在底部版本中，第二个分束器存在于末端，当路径组合时会产生干涉图案。延迟配置的选择对实验结果没有影响。
　　20世纪最伟大的物理学家之一是约翰惠勒。Wheeler正在考虑这种量子怪异，即这些量子如何有时表现得像粒子，有时表现得像波，当时他开始设计实验，试图在我们预期粒子行为时捕捉这些量子表现得像波，反之亦然。也许这些实验中最能说明问题的是上图：将光子通过分束器并进入干涉仪，干涉仪具有两种可能的配置，开放和封闭。
　　干涉仪的工作原理是向两个不同的方向发射光，然后在最后将它们重新组合，根据两条路径之间的路径长度（或光传播时间）的差异产生干涉图样。如果配置是开放式（顶部），您将简单地单独检测两个光子，并且不会获得重新组合的干涉图案。如果配置是关闭的（底部），您将在屏幕上看到类似波浪的效果。
　　Wheeler想知道的是，如果这些光子知道它们必须如何提前行动。他会以一种配置开始实验，然后，就在实验结束时光子到达之前，他会在最后打开或关闭（或不关闭）设备。如果光知道它要做什么，你就可以捕捉到它作为波或粒子的行为，即使你改变了最终结果。
　　经典力学（A）和量子力学（BF）中的盒子（也称为无限方井）中的粒子轨迹。在（A）中，粒子以恒定速度运动，来回弹跳。在（BF）中，时间相关薛定谔方程的波函数解显示为相同的几何形状和势能。横轴是位置，纵轴是波函数的实部（蓝色）或虚部（红色）。这些静止（B、C、D）和非静止（E、F）状态仅产生粒子的概率，而不是关于粒子在特定时间的位置的明确答案。
　　然而，在所有情况下，量子在到达时都完全按照您的预期行事。在双缝实验中，如果你在它们通过狭缝时与它们相互作用，它们就会表现为粒子，而如果你不这样做，它们就会表现为波。在延迟选择实验中，如果在光子到达时重组光子的最终装置在场，你就会得到波浪状的干涉图案；如果没有，您就可以不受干扰地获得单个光子。正如爱因斯坦在量子力学不确定性问题上的伟大竞争对手尼尔斯玻尔所说的那样：
　　对于通过明确的实验安排获得的可观察到的效果，无论我们建造或处理仪器的计划是否事先确定，或者我们是否愿意将计划的完成推迟到粒子出现时的稍后时刻，都没有区别。已经在从一种仪器到另一种仪器的路上了。
　　但这是否排除了可能存在支配量子宇宙的隐藏变量的想法？不完全是。它所做的是对这些隐藏变量的性质施加重大限制。多年来，从1964年的约翰斯图尔特贝尔开始，许多人已经表明，如果你试图为我们的量子现实保留一个隐藏变量的解释，就必须给出其他重要的东西。
　　各种量子解释及其对各种属性的不同分配。尽管存在差异，但尚无已知实验可以区分这些不同的解释，尽管可以排除某些解释，例如具有局部、真实、确定性隐藏变量的解释。
　　在物理学中，我们有局域性的概念：没有信号的传播速度可以超过光速，并且信息只能以光速或以下的速度在两个量子之间交换。贝尔首先展示的是，如果你想建立一个与我们所做的所有实验一致的量子力学隐变量理论，该理论必须本质上是非局部的，并且一些信息必须以比速度更快的速度交换的光。由于我们对信号仅以有限速度传输的经验，不难接受如果我们要求量子力学的隐变量理论，局部性是我们必须放弃的东西。
　　那么，在最初的贝尔理论之后几年出现的KochenSpecker定理呢？它指出你不仅必须放弃局部性，而且还必须放弃所谓的量子非上下文性。简单来说，这意味着您执行的任何实验都会为您的系统的任何量子属性提供测量值，而不仅仅是揭示预先存在的值，这些值已经预先确定。
　　相反，当你测量一个量子可观测值时，你获得的值取决于我们所说的测量环境，这意味着与你特别追求的那个同时测量的其他可观测值。KochenSpecker定理首次表明量子语境性任何可观测值的测量结果取决于系统内所有其他可观测值是量子力学的固有特征。换句话说，你不能在不破坏量子宇宙运行所必需的物理量之间的关系的情况下，为量子实验揭示的基本物理量赋值。
　　量子擦除实验设置，其中两个纠缠粒子被分离和测量。一个粒子在其目的地的改变不会影响另一个粒子的结果。您可以将量子擦除器等原理与双缝实验结合起来，看看如果您保留或破坏，或者查看或不查看您通过测量狭缝本身发生的信息而创建的信息会发生什么。
　　当谈到物理宇宙时，我们始终要记住的一点是，无论我们对逻辑推理和数学的可靠性多么确定，现实的最终仲裁者还是以实验结果的形式出现。当您进行我们已经执行的实验并尝试推断出支配它们的规则时，您必须获得一个自洽的框架。尽管有无数的量子力学解释在描述现实方面同样成功，但没有人不同意最初（哥本哈根）解释的预测。
　　如果你想强加一组额外的、潜在的隐藏变量来真正支配现实，没有什么能阻止你假设它们的存在。然而，KochenSpecker定理告诉我们的是，如果这些变量确实存在，它们不会独立于我们已知的量子规则预先确定实验结果所揭示的值。这种被称为量子上下文的认识现在是量子基础领域的一个丰富的研究领域，对量子计算具有影响，特别是在加速计算和追求量子霸权的领域。并不是隐藏变量不存在，而是这个定理告诉我们，如果你想调用它们，你必须做什么样的骗局。
　　无论我们多么不喜欢它，量子力学都有一定程度的内在古怪，我们根本无法摆脱。你可能对一个根本上不确定的宇宙的想法感到不舒服，但其他解释，包括那些带有隐藏变量的解释，以他们自己的方式同样奇怪。
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