英国《新科学家》周刊网站3月4日刊登题为《量子世界究竟为什么如此怪异？》的文章，作者是量子科学专栏作家卡梅拉·帕达维奇-卡拉汉，内容编译如下：

在我上大学之前，我了解到量子物理学是物理学最神秘的分支，其中充满了能同时存在于两个地方的粒子、实际上并不波动的波，以及其行为可能取决于宇宙另一端发生的事的物体。我对此惊叹不已，直到我所在大学物理系组织的一次晚餐改变了我的想法。吃披萨时，我向量子光学专家了解他们的工作。他们一边咬着油腻的披萨一边说：“这不过是线性代数而已。”

他们如此轻易地消除了量子物理学的神秘感，这让我震惊。但的确，就把数学计算结果与研究人员在实验中观察到的现象进行比较而言，量子物理学的表现出奇地好。从这个意义上说，它即便不是最成功的科学理论，也是最成功的科学理论之一。将所有那些违反直觉、令人费解的量子怪异特性归结为像某种代数形式那么简单的东西，并没有什么不准确的地方。那么，为什么它摆脱不了“怪异”的名声呢？

量子直觉

答案在于量子力学如何与我们有关世界的经验实现一致(或不一致)。通常，似乎任何量子物体一旦脱离数学领域，就会变得几乎不可理解。所以，对我来说，量子物理学真正的怪异之处和其大部分魅力在于，它让我们面对这样一种可能性，即我们为理解世界而发明的工具是有局限性的。这也让我想知道自己是否真能培养出量子直觉。

每一种物理学理论都有自己独特的数学表达形式。比如，牛顿定律其实就是一组微分方程。牛顿定律可以帮助预测你在爬坡时必须以多快的速度蹬自行车才能避免下滑。电磁学理论则是通过三维微积分来表达的。然而，关键在于，你不需要具备求函数导数的专业知识来避免从山上滚下来，也不需要知道什么是向量积来把磁铁贴在冰箱上。你所需要的只是经验和身体的本能反应。学习数学后，只不过能对这些现象进行解释。

量子物理学也有其独特的数学表达，但我们如何利用数学来理解量子理论，就远没有那么简单直接了。在一些我们凭直觉认为“不可能”的情形中，数学却证明并非如此。

量子理论建立在它的一些著名创立者所做工作的基础上，这些人包括维尔纳·海森堡、埃尔温·薛定谔和马克斯·玻恩，他们的工作涉及矩阵、波动方程和概率。就连他们都怀疑，从纸上的数学演算飞跃到我们所体验的物理世界会异常困难。随后几十年发生的事证明，难度大到人们开始怀疑物理学研究到底能否充分捕捉现实。

薛定谔在1935年撰文称：“无法通过模型来模仿现实。”他哀叹物理学家对那个时代的开创性量子实验的理解中存在空白。海森堡对现实与数学之间的关系更感苦恼。他在1958年出版的《物理学和哲学：现代科学中的革命》一书中探讨了这样一个问题：无法用数学描述的现象是否真会出现？

双缝实验

让我们来看看通常被认为最怪异的一种量子行为：粒子可以处于一种叠加态，既不确切地在这里，也不确切地在那里。这是著名的双缝实验的关键部分。在这个实验中，一个量子物体，比如一个电子或其他亚原子粒子，朝着一个有两条狭窄缝隙的屏障运动。屏障后面有一个屏幕，当粒子穿过缝隙时会落在屏幕上并留下印记。

假设你一次向该屏障发射一个粒子。发射一百次之后，你可能期待在其中一条缝隙正后方的屏幕上发现一个很大的印记，另一条缝隙正后方的屏幕上也有一个大印记，而在两者之间粒子路径被阻挡的地方没有印记。这是一个非常合理的假设，甚至可以说是符合直觉的，但你错了。

实际上，你会看到散布于屏幕各处的一个图案。这表明，粒子到达的地方远不止每条缝隙的正后方。

量子理论对这种现象的解释似乎不怎么有道理，但相关数学演算却完全合理。一切都取决于一个加号。

我在大学的第一堂量子物理学课上学到了这个计算过程。首先，你写下一个表示“粒子通过左缝”的函数，以及一个表示“粒子通过右缝”的函数。然后，在它们之间放上一个加号来施展魔法。接下来，你按照处理“波函数”的完美数学规则进行演算，最终会得出一个违反直觉但却正确的预测结果，也就是屏幕上出现的那个图案。

此时，你可能去翻阅教科书，希望确切理解你刚刚计算的到底是什么。教科书会告诉你，当你写下那个加号时，你创造了一个特殊的和，被称为“叠加态”。在这种状态下，无法判断粒子通过的是左缝还是右缝。有时，有关解读更加激进，假定这个加号意味着，粒子同时通过两条缝。一个数学符号就这样被赋予了魔力。而到目前为止，还没有人能够直接观察到粒子完成这种神奇的行为。

如果你考虑进行干预，情况也不会变得更好。在双缝实验中，如果你在其中一条缝隙旁边添加一个探测器，以便更直接地观察粒子是否确切地通过这条缝隙，屏幕上的图案就会改变。

缺乏共识

有些量子现象更加奇特，比如纠缠现象。数学表明(而且在过去几十年里我们也看到了相关证据)，可以利用这种现象将一个粒子的量子特性跨越遥远距离传送给另一个粒子。一些实验已经表明，这种方法非常有效，以至于有人正在努力以其为基石打造一种全新的通信系统。这是量子理论的一个胜利：即使是它那些最违反直觉的预测结果也经受住了实验的检验，并且被证明是有用的。

然而，这是一种令人烦恼的胜利，因为对于如何最好地解读量子理论，以及确定在所有时间、所有情况下量子物体身上到底发生了什么，大家仍然没有达成共识。量子理论能够以一种与我的直觉和经验不完全相悖的方式，告诉我那个加号到底意味着什么吗？与学生时代相比，我现在因为这个问题而失眠的次数少了。但具备进行数学演算的能力与体验现实之间的矛盾仍萦绕着我，挥之不去。

海森堡认为，这种差距源于我们看待“科研”的方式。我们抱有一种理想化的观点：将我们自身与世界其他部分区分开来，并将世界视为一个完全可以理解的独立事物。你可能认为，如果我们能把世界分解成越来越小的部分，我们就能完全理解一切现象。而量子物理学不断鼓励我们思考以下问题：事情真这么简单吗？

这就是量子物理学如此令人着迷之处。（编译/朱捷）