量子悖論只是想象嗎

量子力學是物理學中最成功的理論，從亞原子到天文學層面，它完美解釋了所有物質的行為。不過，它也是最奇怪的理論。在量子領域中，粒子似乎會同時存在于兩個地方；信息的傳播速度似乎比光速還快；而貓可能同時既是死的又是活的。物理學家已經與量子世界里顯而易見的悖論斗爭了90年—可是他們的努力收效甚微。與進化論和宇宙論的觀點已經被大眾普遍理解不同，量子理論迄今仍被看作奇談怪論（甚至許多物理學家也這樣認為），人們認為它是一種構建奇妙玩意的有力工具，除此以外別無益處。大眾對量子理論的意義也深感困惑：這一理論總是迫不及待地想告訴我們一些關于我們所在世界的深奧玩意，而這些與我們的日常生活完全無關。

實際上，在量子力學誕生之初，物理學家就把波函數的塌縮看作悖論，它也是量子理論讓人十分困擾的一個方面。這種令人心神不定的困惑，迫使物理學家發展出了量子力學形形色色的版本。最常見的四種解釋如下：

哥本哈根解釋

這種解釋主要由尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡創立，誕生于玻爾在丹麥哥本哈根的研究所，是量子力學的正統版本。某個系統（例如一個原子）可以被測量的特性，統稱為系統的量子態。量子態可以通過矩陣（類似一張表格）或波函數方程（代表概率分布圖）來描述。這一解釋通過玻恩法則與真實世界相聯系。玻恩法則由海森堡的導師馬克斯·玻恩提出，描述了如何計算某個給定量子態的可測量的概率。玻恩因此獲得了諾貝爾獎。在測量中，觀察者會導致量子態塌縮為描述實驗真實結果的新狀態。這種立刻發生的塌縮意味著這種作用可能比光速還要快。

多世界解釋

要避免出現量子態塌縮的難題，最直接的方法是將它徹底排除。近年來，這一激進的主張獲得了不少擁護者。多世界解釋假設一個世界中只有一種量子態，它平滑展開、可以預測。比如說，當觀察者通過實驗來檢測某個電子穿過雙縫中的哪一個時，量子態并沒有塌縮到雙縫中的任意一個上，而是整個世界分裂成兩個分杈。我們，即真實世界的觀察者，留在其中一個分叉上，完全不知道另一個分叉。因此，整個宇宙像樹木一樣，伸展出無窮多的枝椏，每條枝椏都是一個真實獨立的世界，其中真實發生一種可能的結果，無窮多的枝椏涵蓋了每一種可能的結果。這一解釋除了對我們的想象力要求過高以外，最大的缺陷在于無法說明為什么“測量”會引起世界的分裂，也難以對玻恩法則做出合理解釋。

導向場解釋

不少物理學家熱衷于重寫量子力學的數學表述，將控制粒子運動的真實物理力場包含進來，阿爾伯特·愛因斯坦也曾一度參與其中。不幸的是，推演到N個粒子的情況時，這一誘人的前景即告破滅。粒子運動的空間不再是我們熟悉的三維空間，而是擁有3N維度的抽象空間。更讓人困擾的是，導向場產生的是一種超距作用力，在這種情況下，物理作用能瞬間跨越很遠的距離。

自發塌縮理論

這套理論并未排除觀察者引發的塌縮，而假設塌縮完全是自發的—每個量子系統中塌縮都會自然發生（雖然十分罕見），但是當量子系統與宏觀物體相互作用時，塌縮就會變得十分顯著。不過，這套理論需要引入一整套全新的塌縮機制。在塌縮機制能夠通過實驗證實之前，這套理論只是一個新的假說，和它意圖取代的觀察者引發塌縮的理論一樣玄妙難解。

2001年，一個研究小組開始探索一種新模型，這一模型將可能消除量子悖論，或者使這些悖論變得不那么令人不安。這種模型叫做“量子貝葉斯模型”，簡稱為“量貝模型”，它重新解釋了波函數。

量貝模型是量子理論與概率論的結合，它認為波函數并非客觀實在；恰恰相反，量貝模型認為，波函數只是一本用戶手冊，一種數學工具。觀察者使用這種工具，對周圍的世界—即量子世界—作出更明智的判定。確切地說，觀察者意識到，自己個人的選擇和行動會以一種本質上具有不確定性的方式影響該系統，因此利用波函數，將他自己對于一個量子系統具備某種特性的個人信念量化賦值；而別的觀察者也使用波函數，描述他自己看到的世界。面對同樣的量子系統，兩位觀察者可能得出全然不同的結論。對于一個系統，或者一個事件而言，有多少觀察者，就可能有多少種不同的波函數。觀察者彼此交流，修正各自的波函數來解釋新獲得的知識，于是，就有了更清晰的認識。

波函數并非真實存在，這一觀點可以追溯到20世紀30年代尼爾斯·玻爾的許多著作，他是量子力學的創建者之一。玻爾認為，波函數是量子理論中“純粹象征性的”形式體系的組成部分，只是一種計算工具而已。量貝模型首次為玻爾的主張提供了數學支持。

從這個角度來說，波函數“很可能是有史以來我們找到的最強大的抽象概念。”美國康奈爾大學的理論物理學家、最近轉投量貝模型的N·戴維·梅爾曼說。

（更多內容請見《科學美國人》中文版《環球科學》2013年7月號）

新知科技改變生活

【科學家發現黑猩猩解決難題只為好玩】研究人員說，黑猩猩像人一樣可享受解決智力題帶來的樂趣。一項新研究表明，像一個解決縱橫填字字謎的人一樣，黑猩猩可從解決一個棘手問題中獲得相同的滿足感。不管是否得到食物獎勵，它們都對解決難題表現出同樣熱情。 科學探索

【會飛的自行車】英國兩名發明家發明了一款飛行自行車，讓普通自行車變身為飛行器，最高可在距離地面1200多米高處持續飛行3小時，操作簡便，操作者需有飛行執照。發明者說，這款飛行自行車可讓通勤者免受交通擁堵之苦，又便于外出休閑度假。記得起飛時注意路燈桿、電線和樹枝什么的就好。科技生活周刊

【美國宇航員首次在太空操縱地面機器人】最近，國際空間站上的美國宇航員卡西迪通過遙控操作，成功實施了第一次“地面遙控機器人”測試，指揮NASA艾姆斯研究中心一個四輪機器人開展了地面場地調查工作。 新華網

【首次通過腦電波進行3D打印】智利科技公司Thinker Thing宣稱，他們首次通過腦電波進行3D打印，并獲得了成功。據稱，一個人在戴上一個腦機接口耳機之后，當他在思考不同3D形狀的時候，大腦中的腦電活動會被發送至3D打印機，從而打印出不同形狀的3D部件。 科學探索

【冥王星兩顆新衛星獲命名：冥河與三頭狗】近日，負責天體命名工作的國際天文學聯合會（IAU）已經正式宣布將“Kerberos（三頭狗）”和“Styx（冥河）”選中，作為冥王星兩顆新衛星的名字，這兩顆衛星自發現以來一直被以P4和P5的臨時編號指代。 科學探索