【原】量子物理的巔峰對決

大科技雜志社 2019-11-09

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在物理學(xué)上，有一場爭論從上個世紀(jì)20年代一直延續(xù)至今。這是物理學(xué)史上持續(xù)時間最久、思想交鋒最激烈的一場爭論，幾乎把所有大牌人物，諸如愛因斯坦、玻爾、薛定諤、惠勒等都卷了進去。連“一貫正確”的愛因斯坦，這一次都落了下風(fēng)。

爭論所涉及的問題自然非同小可。小而言之，可以動搖科學(xué)的根基，大而言之，影響到我們看待世界的方式。因為這是一場關(guān)于“實在”的爭論。要而言之，就是我們該“如何看待實在”。

哲學(xué)上的“實在”之爭

“如何看待實在”這話哲學(xué)味有點重，換句話表達，其實就是“如何看待世界”或“如何看待事物”。

你或許會說，這有什么好問的？唯物主義不是說，世界是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在嗎？

沒錯。但我們知道，哲學(xué)上還有別的觀點。譬如，我國明代的大哲學(xué)家王陽明主張，一切皆由心生，心外無物。據(jù)說，有一次他與朋友郊游，朋友指著花樹問：“你說心外無物。但此花樹在山中自開自落，與我的心有何干？”王陽明回答：“你未看此花時，此花與你的心同歸于寂；你來看此花時，則此花顏色一時明白起來，由此便知此花不在你的心外?！蹦憧赡軙堰@種回答視為狡辯，但仔細想想，恐怕也難以駁倒。

此外，介于唯物、唯心之間，還有以康德哲學(xué)為代表的另一種觀點?？档抡f，首先，在我們身外，是存在著那么一個不以人的意志為轉(zhuǎn)移的世界，但他又說，這個世界自身到底是什么樣的，是我們永遠無從知道的。為什么呢？因為我們要獲得對它的認識，就不得不通過觀察；但在觀察時，由于人類感官以及意識不由自主的參與，已經(jīng)對外來信息進行了加工；加工后在我們頭腦中形成的世界，跟純?nèi)豢陀^的那個世界已不大一樣。

這種說法也有道理。譬如，你在墻上畫一條直線，然后在中間擦去一小段，露個缺口。當(dāng)你從遠處看時，會以為這是一條連續(xù)的直線。神經(jīng)生物學(xué)告訴我們，人類觀察外物時，喜歡獲得一個清晰的輪廓；一旦輪廓線有中斷，意識就會自作主張通過想象來填補。但這樣得來的輪廓，顯然已跟原樣不大一樣。

所以你看，事情遠沒有教科書上說的那么簡單?！叭绾慰创龑嵲凇薄暗降子袥]有純客觀的實在”，這類問題在哲學(xué)上爭議了幾千年，至今也沒爭出個名堂。

威力無比又充滿爭議的量子力學(xué)

但是科學(xué)的根基當(dāng)然是建立在唯物基礎(chǔ)上的?？茖W(xué)不僅承認在我們之外存在著一個客觀的世界；而且還承認，事物運動存在著客觀規(guī)律；而科學(xué)的任務(wù)就是把自然規(guī)律揭示出來。試想，倘若“物由心生”，每個人看到的世界都各不相同；倘若牛頓三大定律只對牛頓眼里的世界成立；科學(xué)還有理由存在么？

但是，如此明白的道理到了量子的時代，似乎一下子成了問題。

誕生于一個多世紀(jì)以前的量子力學(xué)，是關(guān)于原子、光子等微觀粒子的一門學(xué)科。一百多年來，它取得了輝煌的成就。沒有它，就不會有今天被廣泛使用的電腦、手機等設(shè)備；它還解釋了“天空為什么是藍的？”“星星是如何發(fā)光的？”這類自古以來懸而未決的問題；實驗已一再證實了它所預(yù)言的許多奇怪結(jié)論，譬如超導(dǎo)、超流、希格斯粒子等；在某些情況下，理論預(yù)言甚至跟實驗結(jié)果相符到小數(shù)點后面十幾位。

但奇怪的是，就是這么一門了不起的理論，自誕生之日起，它的含義到底是什么，就費人索解。因為這涉及到一個重大的問題—如何看待實在？

爭議的核心—波函數(shù)

目前，對量子力學(xué)的解釋至少流行著十幾個版本。每一版本對實在的看法都不一樣。爭論的核心是一個叫“波函數(shù)”的東西。它是物理世界中某個實實在在的東西嗎？抑或，它僅只是一個為預(yù)測結(jié)果而人為發(fā)明出來的抽象的數(shù)學(xué)工具？

讓我們來解釋一下，什么叫實實在在的東西，什么叫抽象的數(shù)學(xué)工具。你在中學(xué)物理課上，大概已學(xué)過諸如力、能量、電場、磁場等概念。雖然肉眼不可見，但你總不能否認，它們是實實在在的吧。但有些東西就不一樣了。譬如，炒股的人愛津津樂道某只股票的曲線。但世界上當(dāng)然不存在“股票曲線”這玩意兒，存在的只是一只只具體的股票和它們在不同時間的價格。至于股票曲線，那是人們?yōu)榱朔奖闫鹨?，發(fā)明出來用于描述股票價格漲落的。換句話說，它只是一個抽象的數(shù)學(xué)工具。

那么，爭論涉及的波函數(shù)又是什么呢？

在經(jīng)典物理學(xué)中，用一組波動方程來描述電磁波的運動。我們把方程中出現(xiàn)的隨空間、時間變化的電場或磁場，籠統(tǒng)地稱作波函數(shù)。在這種情況下，很顯然，波函數(shù)就是電場或磁場本身，是一種實實在在的東西。

在量子世界，由于粒子具有波粒二象性，物理學(xué)家借鑒經(jīng)典物理學(xué)，也用一個叫波函數(shù)的量來描述微觀粒子的運動。但是，當(dāng)他們試圖把波函數(shù)解釋成像電場、磁場那樣實實在在的物理量時，卻遇到了巨大的困難。最后，他們不得不接受德國物理學(xué)波恩提出的一種解釋：量子世界里的波，不是通常意義上的波，而是一種概率波，波函數(shù)用來描述粒子出現(xiàn)在空間某一點附近的概率，自身并不指任何可觀測的物理量。原則上，只要知道了波函數(shù)，其他一切可觀測的物理量，如位置、能量、動量等，都可以從它推導(dǎo)出來。但由于量子的不確定性原理，這些量不具有經(jīng)典力學(xué)的確定值，波函數(shù)所能告訴我們的，只是一個概率的分布，比如粒子在某個位置附近出現(xiàn)的概率是多少，等等。

這個解釋后來上升為量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)解釋，秉持這種觀點的是以丹麥物理學(xué)家玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派。

既然波函數(shù)本身是不可觀測的，按理說，它就不應(yīng)該是一個實實在在的東西，而只是一種計算工具。（物理學(xué)史上，與此類似的一個例子是原子的概念。盡管科學(xué)家早在18世紀(jì)就已經(jīng)提出了原子論，但由于原子實在太小，人們在很長時間內(nèi)都沒直接觀察到它，于是一些人曾提出，原子或許并不是一種實際存在的東西，而只是一個有用的數(shù)學(xué)概念。直到20世紀(jì)人們直接觀測到原子之后，這種質(zhì)疑聲才停止。）然而吊詭的是，在標(biāo)準(zhǔn)解釋中，波函數(shù)還具有其他一些匪夷所思的特征。這些特征似乎又表明，它是一種實際存在的東西。

匪夷所思的波函數(shù)

第一個奇怪的特征是，一個粒子的波函數(shù)是各種可能狀態(tài)的疊加。換句話說，粒子處于一種“疊加態(tài)”。

什么是“疊加態(tài)”？

舉個例子。根據(jù)我們的日常經(jīng)驗，一個物體某一時刻總處于某個確定的狀態(tài)。比如我說，狗狗現(xiàn)在“在”客廳里，或是說，狗狗現(xiàn)在“不在”客廳里。要么在，要么不在，兩種情況必居其一。然而，在微觀的量子世界里，情況卻有所不同。例如，電子可以同時位于兩個不同的地點：A和B。也就是說，電子既在A，又不在A。電子的狀態(tài)是“在A”和“不在A（在B）”兩種狀態(tài)按一定概率的疊加。微觀粒子的這種混合狀態(tài)，叫做“疊加態(tài)”。處于疊加態(tài)的粒子，狀態(tài)是不確定的，波函數(shù)只能告訴你，處于A狀態(tài)的概率是多少，處于B狀態(tài)的概率是多少，而不能確切地告訴你，粒子此刻到底處于A還是處于B。

但是，我們在觀測的時候，在同一時刻不是在A，就是在B捕捉到這個粒子，總不能在同一時刻既在A處，又在B處捕捉到它吧？這個矛盾怎么解決呢？

這就涉及到波函數(shù)的第二個特性，即坍縮。標(biāo)準(zhǔn)解釋說，當(dāng)我們對粒子的狀態(tài)進行“觀測”時，粒子的疊加態(tài)就不復(fù)存在，而是“坍縮”到“在A”，或是“不在A”兩個狀態(tài)的其中之一。但是，微觀與宏觀之不同在于觀測之前。在宏觀世界里，狗狗在不在客廳，觀測之前即已成事實，并不以你“看”還是“不看”為轉(zhuǎn)移。而微觀粒子在測量前處于什么狀態(tài)，是不確定的，直到測量它的那一刻，波函數(shù)發(fā)生坍縮，各種可能性變成了一種可能性，它才以一個確定的狀態(tài)呈現(xiàn)出來。

盡管坍縮的機制是什么，至今依然還沒搞清楚，但毋庸置疑，只有實實在在的東西才會坍縮，一個抽象的數(shù)學(xué)工具總不能坍縮吧。所以這樣一來，波函數(shù)似乎又是某種實際存在的東西。

值得一提的是，波恩最初是把波函數(shù)當(dāng)作一個數(shù)學(xué)工具的，但后來改變了看法。所以，至今在量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)解釋里，波函數(shù)被認為是像能量、場一樣的真實存在。

愛因斯坦PK玻爾

但對于這樣一種存在該如何理解呢？

傳統(tǒng)的科學(xué)雖然承認存在著一個客觀的實在，但還認為，我們只要足夠細心，總可以不干擾觀測對象本身，觀測者自身的影響可以忽略不計。但我們已經(jīng)看到了，在量子世界里，不僅觀測者對于觀測對象的干擾不可避免（根據(jù)不確定性原理，你要測量粒子的位置，就不可避免要干擾它的動量；反之亦然），而且觀測者處于至高無上的地位，因為正是觀測決定著觀測結(jié)果（觀測結(jié)果是波函數(shù)坍縮所致，而波函數(shù)坍縮又源于觀測）！

玻爾認為，要理解波函數(shù)的這些古怪特征，我們必須學(xué)會以全新的眼光看待實在，至少要敢于承認，在微觀物理世界，純?nèi)豢陀^的實在是不存在的，觀測對象和觀測者總是“捆綁”在一起的。瞧，這里已經(jīng)有點康德哲學(xué)的味兒了。

對于玻爾等人的這種主張，愛因斯坦十分反感，認為它動搖了科學(xué)的根基。一個月夜，愛因斯坦一邊散步，一邊問一位同事：“你真的相信，當(dāng)你沒看月亮的時候，月亮不在那里嗎？”

但下面這個雙縫干涉實驗似乎證明玻爾的觀點是對的。

用一把精確控制的電子槍，讓電子一個一個地射向兩條平行的狹縫。從經(jīng)典觀點來看，一個電子不可分，并且電子之間不會互相干涉。但是，實驗結(jié)果卻表明，電子束在后面的屏幕上產(chǎn)生了明暗相間的干涉條紋。由于干涉是波的一種特性，所以在這個例子中，電子以波的形式存在。

這個結(jié)果已經(jīng)夠奇怪了吧，但更詭異的事情還在后頭。

為了探索干涉是如何發(fā)生的，物理學(xué)家在兩個狹縫口放上兩個粒子探測器，企圖測量每個電子到底走了哪條縫，如何形成了干涉條紋？然而，意想不到的事情發(fā)生了：一旦想要用任何方法觀察電子到底是通過了哪條狹縫，干涉條紋便立即消失了！這時，電子又以粒子的形式存在了。

瞧，觀測似乎決定了電子的存在形式！觀測決定了實驗結(jié)果！玻爾贏了！

薛定諤PK玻爾

但玻爾等人的解釋畢竟太神秘，太不可思議了；再者，你要是問，既然宏觀物體都是由粒子組成的，為什么在日常生活中看不到量子效應(yīng)？玻爾等人恐怕也解答不了。

凡此種種不滿意之處，讓一些物理學(xué)家更青睞另一種看法：波函數(shù)并不是一種真實存在的東西，它僅僅是像股票曲線對于股票一樣的數(shù)學(xué)工具，用以反映特定結(jié)果發(fā)生的概率。這樣可以消除量子力學(xué)的悖論。為了理解這一點，讓我們來看一個例子：薛定諤的貓。

薛定諤也是量子力學(xué)的奠基人之一。他提出的這個著名思想實驗，組成部件包括：鋼箱、貓、放射性元素、粒子探測器、錘子和一瓶氰化物。貓被置于鋼箱內(nèi)，蓋子關(guān)嚴(yán)，沒有人能看到里面發(fā)生了什么。因為衰變是一種隨機行為，在任意時刻，放射性元素可能衰變，也可能不衰變。如果它衰變，就發(fā)射出高能粒子。探測器檢測到粒子后，會啟動開關(guān)，讓錘子砸下，打碎小瓶。瓶里的有毒氣體將把貓殺死。如果放射性元素沒有衰變，貓就會活下去。

如果按標(biāo)準(zhǔn)解釋，放射性粒子在未測量時，同時處于既衰變又未衰變的疊加態(tài)；只有在測量時，它才會變身為某個確定的狀態(tài)—要么衰變了，要么未衰變。那么，這對貓意味著什么呢？難道說，在人們打開箱子之前，貓?zhí)幱诩人烙只畹臓顟B(tài)？

薛定諤通過這個思想實驗狠狠嘲笑了玻爾等人的觀點。他認為，要消除這個悖謬，唯一的辦法是，承認波函數(shù)不可能是一種真實的存在，它僅僅是用于描述不同事件發(fā)生概率的一個數(shù)學(xué)工具。放射性粒子要么衰變了，要么未衰變，不可能同時既衰變又未衰變；貓也一樣，要么活著，要么死了，不可能同時既是活的又是死的。貓的狀態(tài)在人們打開蓋子觀察之前就決定了。當(dāng)蓋子打開時，唯一發(fā)生變化的是我們關(guān)于貓的命運的認識。

的確，薛定諤的解釋很有說服力。但問題又來了：前面那個雙縫干涉實驗中，如果波函數(shù)并非真實存在，那些明暗相間的干涉條紋該如何解釋呢？

“沖浪”的粒子理論

對于薛定諤等人否認波函數(shù)真實存在的主張，不僅玻爾不認同，愛因斯坦也不能接受。在承認“波函數(shù)是一種真實的存在”這一點上，愛因斯坦跟玻爾倒是一致的。

但除此之外，愛因斯坦和玻爾就沒有共同語言了。他不僅反對玻爾的“觀察決定結(jié)果”的觀點，也反對“疊加態(tài)”的觀點。針對“疊加態(tài)”，他說過一句很有名的話：“上帝不會擲骰子”。玻爾的回答是：“愛因斯坦，別去指揮上帝應(yīng)該怎么做!”幾十年后，霍金的說法是：“上帝不但擲骰子，他還把骰子擲到我們看不見的地方去！”

愛因斯坦至死都相信，宇宙中沒有什么是不確定的，而量子力學(xué)聲稱的不確定，只表明它本身是有缺陷的，它在描述“實在”時，肯定還缺了點什么；假如有一天建立起一個更全面的關(guān)于“實在”的理論，量子世界里那些捉摸不定的性質(zhì)，就能得到滿意的解釋。

延續(xù)愛因斯坦的這一思路，歷史上一些人做了有益的探索。1927年，法國物理學(xué)家路易斯·德布羅意提出一種叫“導(dǎo)航波”的解釋。他說，波和粒子同樣是真實的，每個粒子就像沖浪的人一樣，“騎”在自己的波上，波的傳播引導(dǎo)著粒子的運動。但粒子和波的運動，都嚴(yán)格遵照經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律。

為了理解這一理論，我們先來看一個實驗：用一個培養(yǎng)皿盛上一小碟硅油，然后用牙簽滴入一粒小水滴。由于水不溶于硅油，當(dāng)水滴落到硅油表面時，就產(chǎn)生一種波。波傳播到培養(yǎng)皿的四壁，又被反射回來。這樣來回反射，反射波彼此疊加，在培養(yǎng)皿中形成穩(wěn)定的波動。在下一次彈跳時，水滴與波相互作用，譬如說水滴剛好落在波峰的右側(cè)，那么它就會被波往右方推。只要水滴的彈跳與波的振動保持協(xié)調(diào)，讓它始終落在涌起的波峰右側(cè)，那么水滴就會被波一直推著往右方運動。水滴產(chǎn)生波，波又引導(dǎo)水滴的運動，這就是一個導(dǎo)航波的例子。

舊理論的 “復(fù)活”

導(dǎo)航波理論可以解釋包括雙縫干涉在內(nèi)的很多量子現(xiàn)象，而且不會跟經(jīng)典物理學(xué)的觀念沖突。遺憾的是，與標(biāo)準(zhǔn)解釋相比，它不會給我們提供更多的認識（如果它是比量子力學(xué)更全面的理論，它理應(yīng)能提供我們更多新的認識），所以自誕生之日起，它就處于非主流地位。但近些年又引起了重視。

譬如，最近美國物理學(xué)家瓦倫蒂尼聲稱，他找到一個驗證導(dǎo)航波理論正確與否的機會。他說，導(dǎo)航波理論預(yù)測的某些效應(yīng)，可能會在宇宙微波背景輻射上留下印記。

微波背景輻射源于大爆炸之后不久，如今它在空間的分布是非常均勻的。然而，詳細的觀測發(fā)現(xiàn)，它也有輕微的變化。標(biāo)準(zhǔn)的量子理論可以解釋幾乎所有這些微小變化，但在2015年，普朗克衛(wèi)星發(fā)回來的數(shù)據(jù)顯示，在背景輻射中還存在著一些標(biāo)準(zhǔn)量子理論解釋不了的微小異常。瓦倫蒂尼認為，這些異常或許正是他一直在尋找的，因為雖然標(biāo)準(zhǔn)量子理論預(yù)測，隨機的量子漲落在早期宇宙中會留下印記，因而會在背景輻射中留下一些微小的變化，但導(dǎo)航波理論預(yù)言，漲落具有較少的隨機性（換句話說，不會雜亂無章得太厲害），因此留下的印記會跟標(biāo)準(zhǔn)量子理論的預(yù)言稍有不同。既然某些微小的異常是標(biāo)準(zhǔn)量子理論解釋不了，那或許可用導(dǎo)航波理論來解釋。

最瘋狂的解釋

對量子力學(xué)的所有解釋中，最瘋狂的要數(shù)由美國物理學(xué)休·埃弗雷特提出的“平行宇宙理論”。這個理論如今幾乎家喻戶曉。

該理論跟標(biāo)準(zhǔn)解釋一樣，也承認波函數(shù)是真實存在的。區(qū)別在于：標(biāo)準(zhǔn)解釋說，在觀測時波函數(shù)發(fā)生了坍縮；平行宇宙理論則否認了神秘的波函數(shù)坍縮，但又引入一個同樣神秘的觀點，認為任意時刻每發(fā)生一個事件，大至天體爆炸，小至電子躍遷，世界就以一種不為人知的方式分裂，事件的每一種可能性都會在自己的世界里真實地發(fā)生。由此，宇宙每時每刻都在以驚人的速度繁殖。只是它們彼此不相通，我們觀察不到別的宇宙中發(fā)生的事情而已。

這種以一種神秘代替另一種神秘的做法有什么用處呢？

還是以薛定諤的貓為例。標(biāo)準(zhǔn)解釋說，未做觀察前，這只貓?zhí)幱诩壬炙赖臓顟B(tài)；在打開蓋子觀察時，它才選定了一種確定的狀態(tài)。正是這個說法讓人無法接受。

平行宇宙理論則說，沒錯，未觀察前，是可以說貓?zhí)幱诩壬炙赖臓顟B(tài)，但死貓和活貓并不處于同一個宇宙。因為放射性粒子衰變時，包括觀察者在內(nèi)的整個宇宙都一分為二了：在一個宇宙，放射性粒子衰變，貓被毒死；在另一個宇宙，放射性粒子未衰變，貓活著。我們打開蓋子觀察，并沒有“逼迫”波函數(shù)坍縮，只是確認了自己處于哪個宇宙：如果你發(fā)現(xiàn)貓死了，就可以說“嗯，看來我是處于貓死的宇宙”；但另有一個“我”卻處于貓活的宇宙。這樣就巧妙地避開了貓既生又死的悖論。

目前平行宇宙理論有不少擁躉，但它的軟肋是既不能證實，又不能證偽，游走在科學(xué)和科幻之間。

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【原】量子物理的巔峰對決