Nature重磅文章: 为什么 100 年后物理学家仍然不理解量子理论!

原标题：Nature重磅文章: 为什么 100 年后物理学家仍然不理解量子理论!
文章来源：人工智能学家
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量子力学的百年未解之谜：一座建在沙滩上的美丽城堡？

本文探讨了量子力学百年发展历程中，其成功应用与理论基础的矛盾性。量子力学作为现代物理学中最成功、最重要的理论，解释了从激光到希格斯玻色子的诸多现象，然而其背后的原理却让物理学家们百思不得其解。

1. 量子理论的诞生与核心矛盾

量子理论的诞生可追溯至1900年普朗克和1905年爱因斯坦的工作，他们首次揭示了光的量子特性。1925年，海森堡提出了量子力学的完整版本，随后薛定谔也提出了该理论的表述。量子力学的独特之处在于，描述物理系统的方式与观察时看到的方式截然不同，需要引入“测量”或“观察”等特殊过程，而这正是其核心矛盾所在。物理学界至今未就其原因及含义达成。

2. 经典物理学与量子力学的差异

经典物理学遵循一定的模式：系统由状态描述，方程决定其演变。然而，量子力学打破了这一模式。在经典物理学中，粒子在任何时刻都有确定的位置和动量，而在量子力学中，这些量在测量之前通常不存在，仅在测量时才能被观察到。海森堡的不确定性原理生动地体现了这种差异。

3. 爱因斯坦与玻尔的世纪之争：现实主义与认识论

爱因斯坦对量子力学提出了尖锐的批评，尤其关注局部性和现实主义。他认为量子纠缠似乎违背了狭义相对论，因为信息传播速度似乎超过了光速。 这与丹麦物理学家尼尔斯·玻尔展开了旷日持久的争论。爱因斯坦坚持现实主义，认为理论应描述物理现实本身；而玻尔则更注重预测测量结果，代表了认识论的解释。

4. 量子力学的多种诠释

为了解释量子力学的奇特之处，涌现出了多种诠释，主要分为本体论和认识论两大类。本体论方法认为量子态代表现实，例如导航波模型、多世界诠释和客观坍缩模型；认识论方法则强调量子态与观察者、测量过程相关，例如哥本哈根诠释、QBism和关系量子力学。这些诠释之间存在显著差异，但目前尚无实验能够区分它们。

5. 量子场论的成功与挑战

量子场论是现代粒子物理学的基础，取得了巨大的成功，解释了诸多现象，如夸克禁闭、希格斯玻色子的存在等。然而，它也面临着挑战，例如计算现的无穷大以及“自然性”问题。

6. 量子力学的应用与未来

尽管理论基础存在争议，量子力学在诸多领域得到了广泛应用，例如量子化学、量子计量和传感以及量子计算。技术进步有望促进对量子力学基础的理解，但其核心问题仍然有待解决。

总而言之，量子力学是一座建立在令人惊叹的实验成功之上的美丽城堡，但其基础仍然存在许多未解之谜，这有待于未来的研究来解答。 量子力学理论的持续发展和应用，将继续推动科学技术进步，并深刻改变我们的世界。

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