量子在你心

高涌泉

量子理論的某種新觀點(diǎn)，可以去除微觀世界中種種奇異的吊詭，但所付出的代價(jià)是：量子信息只存在于你的想象之中。

量子力學(xué)完美地解釋了在各種尺度之下物質(zhì)的行為，在所有物質(zhì)科學(xué)中是最成功的理論，但也是最詭異的理論。

在量子領(lǐng)域里，粒子似乎可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，信息傳遞速度可以比光速快，而貓可以同時(shí)既是死的又是活的！物理學(xué)家已經(jīng)對(duì)這些量子世界中吊詭的事情困惑了90年，但他們現(xiàn)在還是一籌莫展。當(dāng)演化論和宇宙論已經(jīng)成為一般知識(shí)時(shí)，量子理論仍然讓人認(rèn)為是奇特的異常事物；盡管在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)，它是很棒的操作手冊(cè)，此外就沒(méi)什么用處了。由于人們對(duì)于量子理論的意義有著深度混淆，便繼續(xù)加深一種印象：量子理論想急切傳達(dá)的深?yuàn)W道理，與日常生活無(wú)關(guān)，而且因?yàn)檫^(guò)于怪異，以至于一點(diǎn)也不重要。

在2001年，有個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開始發(fā)展一種模型，或許可以去除量子物理的吊詭之處，至少也會(huì)讓這些吊詭不那么令人不安。這個(gè)模型被稱為量子貝氏主義，它重新思考波函數(shù)的意義。

在正統(tǒng)量子理論中，一個(gè)物體（例如電子）可用波函數(shù)來(lái)表示，也就是說(shuō)波函數(shù)是一種用來(lái)描述物體性質(zhì)的數(shù)學(xué)式子。如果你想預(yù)測(cè)電子的行為，只需推導(dǎo)出它的波函數(shù)如何隨時(shí)間變化，計(jì)算的結(jié)果可以給你電子具有某種性質(zhì)（例如電子位于某處）的概率。但是如果物理學(xué)家進(jìn)一步假設(shè)波函數(shù)是真實(shí)的事物，麻煩就來(lái)了。

量子貝氏主義結(jié)合了量子理論與概率理論，認(rèn)為波函數(shù)不是客觀實(shí)在的事物；反之，它主張把波函數(shù)作為使用手冊(cè)，是觀察者對(duì)于周遭（量子）世界做出適當(dāng)判斷的數(shù)學(xué)工具。明確一點(diǎn)講，觀察者了解一件事：自己的行為與抉擇會(huì)無(wú)可避免地以無(wú)法預(yù)測(cè)的方式影響被觀測(cè)系統(tǒng)，因此用波函數(shù)來(lái)指明自己判斷量子系統(tǒng)具有某種特定性質(zhì)的概率大小。另一個(gè)觀察者也用波函數(shù)來(lái)描述他所看到的世界，對(duì)于同一量子系統(tǒng)而言，可能會(huì)得到完全不同的結(jié)論。觀察者的人數(shù)有多少，一個(gè)系統(tǒng)（一個(gè)事件）可能擁有不同的波函數(shù)就有多少。在觀察者相互溝通、并且修正了各自的波函數(shù)以涵蓋新得到的知識(shí)之后，一個(gè)有條理的世界觀就浮現(xiàn)了。

最近才轉(zhuǎn)而接受量子貝氏主義的美國(guó)康奈爾大學(xué)理論物理學(xué)家摩明這么說(shuō)：“在此觀點(diǎn)之下，波函數(shù)或許是‘我們所發(fā)現(xiàn)最有威力的抽象概念?！?/p>

波函數(shù)不是真實(shí)的事物，這種想法早在20世紀(jì)30年代就出現(xiàn)了，那時(shí)量子力學(xué)創(chuàng)建者之一的尼爾斯·波爾在其文章中已經(jīng)這么說(shuō)。他認(rèn)為量子理論僅僅是計(jì)算工具，即量子論只是“純符號(hào)性”的架構(gòu)而已，而波函數(shù)是工具的一部分。量子貝氏主義是第一個(gè)為波耳的主張找到數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的模型，它把量子理論與貝氏統(tǒng)計(jì)結(jié)合起來(lái)。貝氏統(tǒng)計(jì)是一門有200年歷史的統(tǒng)計(jì)學(xué)，這門學(xué)問(wèn)把“概率”定義成某種類似“主觀信念”的事物。一旦新信息出現(xiàn)，我們的主觀信念也必須跟著更新。針對(duì)如何更新，貝氏統(tǒng)計(jì)定下了明確的數(shù)學(xué)規(guī)則。量子貝氏主義把波函數(shù)解釋成一種會(huì)依據(jù)貝氏統(tǒng)計(jì)規(guī)則來(lái)更新的主觀信念，如此一來(lái)，量子貝氏主義的鼓吹者相信神秘的量子力學(xué)吊詭就消失了。

以電子為例，每當(dāng)我們偵測(cè)到一個(gè)電子，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它一定是位于某個(gè)位置；但是當(dāng)我們不去看它，則電子的波函數(shù)可能是散開的，代表了電子在某一時(shí)刻處于不同地方的可能性；如果我們?cè)偃タ此?，又?huì)看到電子出現(xiàn)在某一個(gè)位置。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)法，觀測(cè)促使波函數(shù)在一瞬間“崩陷”而集中于某一個(gè)位置之上。

空間各處的崩陷發(fā)生于同一時(shí)刻，這種情形似乎違背了“局域性原理”（即物體的任何改變一定是由其附近的另一物體所引起的），如此一來(lái)就會(huì)引發(fā)一些如愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”的困惑。

量子力學(xué)一誕生，物理學(xué)家就知道“波函數(shù)的崩陷”是這個(gè)理論深深困擾人的一項(xiàng)特點(diǎn)。這個(gè)令人不安的謎促使物理學(xué)家發(fā)展出各種量子力學(xué)的詮釋，但是都沒(méi)能完全成功。

然而量子貝氏主義說(shuō)量子力學(xué)根本沒(méi)有任何詭異之處。波函數(shù)崩陷只是表示觀察者依據(jù)新信息，忽然且不連續(xù)地更新了他原先分配的概率，就好像醫(yī)生依據(jù)新的計(jì)算機(jī)斷層掃描結(jié)果，而修正了對(duì)癌癥病人病況的判斷。量子系統(tǒng)并沒(méi)有經(jīng)歷什么奇怪、不可解釋的變化，改變的是（觀察者選用的）波函數(shù)，波函數(shù)呈現(xiàn)的是觀察者個(gè)人的期待。

我們可以把這種想法應(yīng)用于著名的量子吊詭——薛定諤的貓。量子物理學(xué)家薛定諤想象一個(gè)封閉的盒子里頭有一只活貓、一瓶毒藥及一顆放射性原子。根據(jù)量子力學(xué)，原子有50%的概率會(huì)在1小時(shí)之內(nèi)衰變。如果原子衰變，一根錘子會(huì)打破裝有毒藥的瓶子，釋放出毒藥殺死貓；如果原子不衰變，貓就會(huì)活著。

好！現(xiàn)在啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，但是不要往盒子里看……