隐变量真的存在吗？它们能拯救量子物理吗？

量子力学揭示了现实在根本上是不确定的，物理属性在被测量前仅以概率形式存在。为了恢复确定性，一些理论提出了“隐变量”的存在，即存在一些我们无法测量的、预先决定了实验结果的变量。然而，关键的物理学定理，如科亨-斯佩克（Kochen-Specker）定理和贝尔定理，指出如果隐变量存在，就必须放弃物理学中的两个基本原则：局域性（信息传播速度不能超光速）和非情境性（测量结果不依赖于测量环境）。实验证据，特别是双缝实验和延迟选择实验，都强烈支持量子力学的“怪异”本质，即测量结果并非预先确定，而是由观测行为本身所影响。因此，即使隐变量真的存在，它们也无法让我们提前预测实验结果，量子世界的内在不确定性似乎是不可避免的。

经典世界与量子世界的分歧

在我们的宏观世界里，一切都是确定的。物理定律，如牛顿、爱因斯坦和麦克斯韦的方程，都是决定论的。只要知道一个系统的初始状态，我们就能精确预测它未来的任何状态。测量的不确定性只来源于我们的设备，设备越好，预测就越准。

然而，在量子世界，情况完全不同。海森堡不确定性原理指出，我们永远无法同时精确地知道某些成对的物理属性。你对其中一个测量得越精确，另一个就变得越不确定。这些属性包括：

• 粒子的 位置 与 动量
• 粒子的 能量 与 存在时间
• 在任意两个垂直方向上的 自旋

这种不确定性是量子世界的内在属性，而不是测量工具的缺陷。当你精确测量一个粒子的自旋方向时，就等于破坏了它在其他方向上的自旋信息。

“隐变量”理论的设想

为了绕开这种令人困惑的不确定性，一些物理学家（包括爱因斯坦）提出了 隐变量理论。这个理论假设：

• 宇宙的底层是 完全确定 的。
• 我们看到的“随机性”和“不确定性”，只是因为我们 忽略了一些我们无法测量到的“隐藏”变量。
• 如果我们能知道这些隐变量，就能像预测行星轨道一样，精确预测每一次量子实验的结果。

这就像观察一盘沙子，每颗沙粒似乎都在随机抖动。但实际上，它们可能都放在一个我们看不见的、正在振动的盘子上。我们之所以觉得沙粒的运动是随机的，只是因为我们不知道那个“隐藏”的振动盘的存在。

实验证据的挑战

尽管隐变量的想法很吸引人，但实验结果却给它带来了巨大挑战。

• 双缝实验： 当我们不观测单个粒子（如电子）通过哪条缝隙时，它们会表现出波的特性，形成干涉条纹。但一旦我们试图测量它走了哪条路，干涉条纹就消失了，粒子表现得像一个普通的点。这表明 观测行为本身会改变结果。

• 延迟选择实验： 实验甚至可以在粒子已经“在路上”时，再决定是否进行观测。结果显示，粒子似乎能“知道”我们最终的实验设置，并相应地表现出波动性或粒子性。这强烈暗示了结果并非预先确定。

物理学家尼尔斯·玻尔曾说：“无论我们是提前计划好实验装置，还是在粒子已经在仪器之间穿行时才完成计划，对于可观测到的结果来说，都没有任何区别。”

无法摆脱的“怪异”

如果坚持要用隐变量来解释量子世界，就必须付出沉重的代价。

• 贝尔定理 (1964年): 约翰·贝尔证明，任何试图与实验结果相符的隐变量理论，都必须是 非局域的。这意味着信息（或影响）的传递速度需要超过光速，这与我们对宇宙的基本认知相悖。

• 科亨-斯佩克定理: 该定理更进一步，指出我们还必须放弃 非情境性。简单来说，这意味着一次测量得到的结果，并不仅仅是揭示一个“预先存在”的数值。相反，这个结果 依赖于整个测量环境，即你同时还测量了哪些其他的物理量。

量子情境性（Quantum Contextuality）是这个发现的核心：你不能孤立地为物理量赋予一个确定的值，因为它的值取决于你如何去测量它以及同时测量了什么。

最终，无论我们是否喜欢，量子力学的“怪异”是无法摆脱的。你可以假设隐变量存在，但它们并不能让宇宙回归到一个简单的、可预测的确定性世界。这些理论本身也必须包含非局域性、情境性等同样“怪异”的设定，并且它们同样无法让你在实验完成前知道确切的结果。答案，只能通过实际观测来获得。