量子力学中有哪些令人震惊的惊喜?

量子力学的新发现

量子力学是一团糟。要掌握某一事物的理论是很困难的。如果你在某些方面措辞不正确，只会造成进一步的混乱，尤其是对那些试图理解它的大众来说。但是仅仅因为量子力学很厚并不意味着它已经揭示了所有的秘密。事实上，我想说的是，当我们进入量子兔子洞时，我们一直在寻找新的方法来颠覆我们对现实的概念……

守恒定律?

我一直想知道量子力学对守恒定律的影响，或者说物理学的核心支柱，我们对它们的有效性如此有信心，以至于我们认为它们永远是正确的。事实上，这些定律在时间上的对称性，或者说它们在我们前进的过程中从未改变的事实，是我们对它们充满信心的关键。但是，这个观点只在经典的情况下成立。那么量子化呢?(Sudarsky)

要知道一个系统的能量，你需要对它进行一些测量，在量子力学中，这会导致控制它的波函数坍缩到一个确定的状态。在此之前，它是一种没有结论的状态叠加。如果不进行测量，系统是否真的存在?量子力学处理这一问题的三种流行解释是导波理论(其中波特征只是引导或引导粒子沿着一条路径)，多元宇宙(其中每个系统状态最终都存在于自己的现实中)，以及自发坍缩模型(无论我们做什么，都确保随机行为迫使一个确定的状态)(同上)。

因此，蒂姆·莫尔丁、伊莱亚斯·奥肯和丹尼尔·苏达斯基进行了思想实验，以观察守恒定律在这三种体系下的作用。考虑量子叠加的光子，一条路径将它们发送到一个星系，然后返回到我们这里，由于宇宙的膨胀导致光子红移，导致能量的净损失。另一条路不会消耗能量。在你进行量子测量之前，光子可以沿着任何一条路径运动，但我们似乎会有能量差异。有人说测量设备需要能量来运行，所以守恒得以维持，但纠缠可以确保我不必直接与测量行为相连。如果自发塌缩是真的，那么就会发生非保守作用，因为它在给定的时间框架后落入这些状态之一。引导波理论将使波本身在返回实验室时进行干涉，以确保发生非保守行为。至于多元宇宙的方法整体能量的平均值将守恒，但不是沿着每个分支(同上)。

哦,男孩。我们刚才是不是说明了节能遇到了麻烦?我们刚才说的是局部节能．Thibaut Josset, Alejandro Perez和Daniel Sudarsky提出了一个可能的解决方案，他们通过稍微修改广义相对论，允许局部违反。如果你以一个系统为例，观察整个局部的违反，这种行为会导致宇宙加速膨胀，就像暗能量一样!(同前)

Frauchiger-Renner悖论

这是其中一个奇怪的地方，一旦你通过(看似)复杂的设置，就会发现一些基本思想中令人不安的矛盾。由Daniela Frauchiger和Renato Renner(瑞士苏黎世联邦理工学院)开发的思想实验涉及4个人参与量子实验。爱丽丝(A)正在实验室里记录她的朋友(AF)，后者正在记录抛硬币的结果，有1/3的概率是正面，2/3的概率是反面。如果硬币正面朝上，AF会产生一个自旋向下的粒子，但如果硬币是反面朝上，AF会根据控制粒子力学的波函数假设，将粒子置于上下叠加的状态。鲍勃(B)也带了一个朋友(BF)来这个实验，也在记录BF和他的实验室。AF将她的粒子，不管它是哪个，发送给BF。然后BF可以根据他收到的硬币来计算出投掷的结果。同时，A对AF和她的实验室进行了测量，B对BF和他的实验室进行了类似的操作。两者都将每个包视为一个量子系统，这是一种关于量子力学普遍性质的假设。只要我们清楚我们的系统，我们就应该能够将量子力学应用于它们。 And A hasn’t a clue as to AF’s coin toss result, so the lab而且AF是头部和尾部的叠加，因此引申AF是与BF的叠加，直到a进行测量。在此之前，AF可以进行她的实验，BF可以进行他的测量，但对A来说，仍然不确定。但是A对系统进行了测量，然后对抛硬币的结果得出了自己的结论。与此同时，B也做了类似的事情，并根据BF的测量对AF的结果做出了自己的结论(Ananthaswamy, Cavalcanti)。

你可能会认为A和B应该同意他们的结果，但实际上我们做了另一个隐藏的假设。我们认为每个人都在以同样的方式收集数据，但我们推断量子态的方式对我们得到的结果有着巨大的影响。如果您测量性质1而其他人测量性质2，即使它们彼此相关，结果的平均也会产生相互矛盾的结果。但是如果两个不同的人在同一个系统上使用相同的方法，就不会产生矛盾。然而，一旦所有的概率都被解决了，科学家们发现大约8%的时间A和B对抛硬币的结果得出不同的结论。

因此，三个假设(波函数、普遍量子定律和一致系统的非矛盾结果)中的一个(或多个)有问题。那么是什么原因呢?量子力学在微观尺度上很有效，但还没有证据证明宏观效应。也许这是一个关于比例限制因素的线索，因此这意味着它不是一个普遍的规则。这将支持自发坍缩模型，从而严格限制了量子力学可以参与的领域。这可能是多世界的解释，即每次测量都发生在一个分支的宇宙中，实际上是正确的。如果是这样，那么就不会有矛盾，因为波函数永远不会坍缩成一个单一的状态，而是存在于……其他地方。或者，这可能指向迄今为止未知的量子力学的一种新的解释。这些类型的悖论可能被视为令人沮丧的，但在现实中，它们是检验我们的科学理论和推动新的理论发现的关键工具。目前，最好的选择是找到一个真正的看看思想和行动是否相互匹配(同上)。

时钟模棱两可

安德烈亚斯·阿尔布雷希特在宇宙大爆炸后不久观察宇宙，碰巧发现了一个悖论。你看，时钟是一种人造的建筑物，用来记录时间的流逝。在大爆炸发生的时候，没有时钟，也没有人注意到事件的转变。大爆炸发生后不久，当宇宙只是一个葡萄柚大小的物体时，量子力学占据了至高无上的地位。未来事件的概率很复杂，尤其是没有时钟来记录这个转变。事实上，如果没有时钟，我们就不可能确定我们的未来，因为它的读数会导致宇宙的波函数坍缩。真的需要时间吗?阿尔布雷希特把它从当时的方程中去掉了，因此在当时也失去了相对论。他发现潜在的宇宙都是疯狂的，没有一致的物理理论支配着它们。这是量子宇宙学陷入困境的证据吗? For if not, then “the fundamental physical laws are not fundamental” but determined in some unknown capacity (Frank).

量子的伤疤

热力学第二定律可能是门外汉最不重视的科学概念之一，但所有人都可以证明它的含义。没有人会看到破碎的玻璃重新组装，但如果你看到了，你就会知道发生了严重的问题。现在，想象一下看到玻璃一遍又一遍地破碎和组装。现在那会很了不起。在量子尺度上也有类似的现象。一组科学家观察了51个铷原子，它们排成一行，用激光固定，使它们的顺序在激发态和基态之间交替。其目标是为量子计算机测试潜在的量子进程。热力学认为，系统应该达到平衡，使得所有51个元素都按照随机顺序排列。他们确实做到了，但随后又恢复到原来的模式，然后再次混合，一遍又一遍地恢复。这被称为“量子多体疤痕”，意味着“过去的印记”会使他们回到最初的样子。原子不再纠缠在一起，而是变成了分,然后reentangled！这是一个疯狂的结果。如果有的话，它应该在每次系统释放时崩溃到不同的状态，因为概率表明完全相同的结果是极不可能的……然而，它就在那里(哇)。

这一现象的答案来自埃里克·海勒(Eric Heller)在20世纪80年代的著作。他观察了布尼莫维奇体育场，它本质上是一个长方形的田径结构，两边都是半圆。如果你在其中发射一个球，它所走的路径是混乱的，或者似乎没有模式。但是，如果你碰巧碰到一个特殊的角度，那么球的运动轨迹是可以预测的。海勒随后用量子粒子替换了这个球。概率波函数的展开应该会让事情变得更加混乱，但令人震惊的是，波函数有时会以一种方式堆叠起来，让波“发展出对这条特殊轨迹的记忆”，即路径被回溯。粒子在波函数的展开概率上干涉自己．因为这些路径的映射看起来像疤痕组织，海勒在1984年将这种现象命名为量子恐惧。但在当时，这只是一个思想实验。现在，这在许多物体上都被证明是正确的，因此有了量子多体疤痕的想法。谜团仍然存在，但量子力学不总是如此吗?(同前)

作品的引用

aanathaswamy,安尼尔。“新的量子悖论澄清了我们对现实的看法在哪里出错。”Quantamagazine.com．广达，2018年12月3日。2020年9月22日。

卡瓦尔康蒂,埃里克。“提出了关于物理现实的问题。”Cosmosmagazine.com．澳大利亚皇家学会，2020年8月24日。2020年9月23日。

弗兰克,亚当。“谁写了《物理学》?”发现。2010年4月。34-5打印。

Sudarsky,丹尼尔。“能量守恒定律被取消了吗?”nautilis.is。NautilisThink公司2019年12月12日。2020年9月22日。

哇,马库斯。"量子机器似乎无视宇宙对无序的推动"Quantamagazine.com．2019年3月20日，广达。2020年9月21日。

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