量子粒子到底在做什麼？

本側欄是一攬子補充我們發表在《大眾科學》五月刊上的關於量子擦除的故事的一部分

精明的讀者可能已經注意到，在主要文章中，我們煞費苦心地——並且有點偷偷地——避免說相互干涉的量子粒子實際上同時在兩個位置（使用了諸如“似乎”和“好像”之類的短語）。使用這種聽起來像法律術語的措辭的原因是我們根本不知道粒子“真正”做了什麼。

如果我們測量粒子走了兩條路徑中的哪一條，我們只會測量到它精確地走了一條路徑。但是，當我們不進行這樣的測量，並因此最終得到干涉圖案時，我們應該如何解釋這種情況？經典的波只有在兩個方向都有波的情況下才能產生干涉。那麼這是否意味著粒子真的走了兩條路？量子理論沒有告訴我們。

在某些方面，量子力學的描述與經典干涉波的描述非常相似。粒子在數學上用一種特殊的量子波來描述，稱為波函式。當發生干涉時，每個粒子的波函式都包含與粒子走每條路徑的部分相對應的部分，很像經典干涉波具有兩個方向的部分。不幸的是，在埃爾溫·薛定諤提出波函式的概念八十年後，物理學家們仍然對它所描述的物理現實的本質存在分歧。

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物理學家完全同意如何使用波函式來預測測量結果，有時具有非凡的精度和準確性。但是，在測量之前，應該如何解釋波函式的物理含義仍然不確定——甚至存在爭議——並且很可能永遠如此。如果波函式將粒子描述為處於兩條路徑的疊加態，這是否意味著粒子“真的”走了兩條路？沒人知道。

例如，根據量子力學的所謂哥本哈根解釋，人們根本不允許詢問在沒有進行測量的情況下發生了什麼。在“多世界”解釋中，粒子確實走了兩條路。更重要的是，即使我們測量到它走了一條特定的路徑，它仍然走了兩條路——實際上，宇宙分叉了，在我們的分支中，粒子走了一條路，而在另一個分支（其中有我們完全相同的副本）中，它走了另一條路。而在玻姆-德布羅意“導波”解釋中，存在一個量子波，它確實走了兩條路徑，但干涉粒子更像是那個波浪上的衝浪者，選擇了一條特定的（但未知的）透過狹縫的路徑。

請注意，儘管對“幕後”發生的事情有不同的模型，但所有這些解釋對實際測量的結果都做出了完全相同的預測。換句話說，沒有實驗方法來區分它們，因此無法宣佈一種解釋是“正確的”。

也許正是由於所有這些解釋中令人不安的特徵，著名物理學家理查德·費曼將雙縫實驗描述為量子力學的真正謎團。

奇怪的是，在量子計算的新領域中，量子物理學家似乎不太猶豫地聲稱量子位元（量子位）同時處於“0”和“1”的狀態。這種說法完全等同於說一個粒子同時穿過一個狹縫和另一個狹縫。