量子世界不再神秘

石無魚

量子世界充滿了種種神秘，但最大的神秘已經被我們解開。

有人說，我們這個時代是祛魅的時代。過去，人們普遍迷信周圍存在著魑魅魍魎、山精水怪，害怕它們會時不時出來作祟。如今，這些迷信都被科學掃蕩干凈?！办铟取本褪鞘勾笞匀蛔兊貌辉偕衩氐囊馑肌?/p>

可是，說來也夠怪的，正當我們對身邊的大自然（即宏觀世界）祛魅之時，在由原子和基本粒子組成的微觀世界里，正神秘地發生著種種令人匪夷所思的事情，仿佛那里成了鬼魅們藏身的最后一塊地盤。

鬼魅般的量子世界

從某種意義上說，微觀世界的粒子表現得比鬼魅還神秘。你瞧：它時而是粒子，時而是波，玩著種種變形記;它在同一時刻，既可以在這里，又可以在那里，仿佛有分身術（這種同一時刻集多種可能性于一身的現象，叫疊加態）……總之，完全不像我們熟悉的事物。我們平常說的“現實”指的是一切事物都確定、有規律可循的世界，而這些粒子表現出來的卻是完全不確定，所以可以說它并非存在于現實之中。它好像存在于一團模糊的“云”中，但“云深不知處”。

什么時候粒子的“身份”“位置”等屬性才能確定下來呢？答案是，測量的時候。測量是宏觀世界和微觀世界的“交鋒”。既然在宏觀世界，一切都是確定的，那么每一次測量，粒子也必須給我們一個毫不含糊的交代：有就是有（意味著它在這里），沒有就是沒有（意味著它不在這里）。換句話說，它必須選定一種確定的方式呈現。但吊詭的是，盡管測量條件完全相同，每次的測量結果卻可能都不一樣，就好像投硬幣，雖然每一次落地結果是確定的（不是正面就是反面朝上），但正反卻是我們無法預料的。

在未測量前，粒子處于不確定之中。

不過，粒子的行為跟投硬幣又有本質的區別。對于硬幣的不確定性，經典物理學說，那是因為我們沒有掌握影響其結果的一切因素，比如投擲的力有多大，方向如何，當時的空氣狀況如何，等等。一旦知道了這一切，我們就能準確預測每一次的投擲結果。而粒子的“任性”是量子物體與生俱來的特征，跟外界無關，也是我們無法左右的。

所以，對于拋擲中的硬幣，雖然正反不確定，我們還是會說它處于現實之中;但對于還未測量的粒子，就只能說它處于“非現實”之中了（至于什么樣的“非現實”，物理學家就詞窮了），一直要等到它被我們測量，結果確定了，我們才說，它回到了現實中。

更加詭異的波函數坍縮

在物理學上，描述微觀粒子的理論叫“量子力學”。它是在20世紀20年代發展起來的，目的是解釋為什么像電子這樣的微觀粒子有時表現得像波，而像光這樣的波有時卻表現得像粒子（光子）——以及為什么在原子中，電子所處的能量狀態是不連續的，只能取某些特定值，像樓梯（這樣的能量狀態叫能級）而不像滑梯。量子力學的創始人之一薛定諤發明了一個方程，用“波函數”來描述粒子的這種模棱兩可的行為。一個粒子的所有信息（如位置、能量、自旋等）都包含在它的波函數中。你可以用波函數可靠地計算出，如果測量它，它處于某種特定狀態的概率有多大，比如說位置，在A位置的概率有多大，在B位置的概率又有多大等。

后來，為了解決粒子如何從“非現實”中現身現實，另一位物理學家馮·諾依曼又引入了“波函數坍縮”的概念。他說，盡管波函數中包含著粒子的所有可能性，但在測量時，波函數瞬間“坍縮”了，像一團飄忽的“不確定”的云，瞬間凝聚成一滴“確定”的雨點，于是粒子從眾多可能性中選擇了一種呈現給我們。但注意，這僅僅是一次測量，因為每次測量，粒子選擇呈現給我們的可能性都不一樣。換句話說，每一次測量的結果都是隨機的。不過，重復測量卻又符合用薛定諤方程預測的概率。還是拿拋硬幣做比方，盡管每次正反朝上的結果是隨機的，但重復拋，最終還是符合兩種結果1：1的預測的。

在薛定諤貓實驗中，貓的生死似乎都由我們是否打開箱子測量決定。

這個波函數坍縮的理論，通常被稱為量子力學的哥本哈根派解釋。因為這一派物理學家的大本營在丹麥的哥本哈根。根據哥本哈根派的說法，波函數坍縮是不需要時間（零時間）、沒任何預兆、隨機發生的?？墒?，這個過程到底是怎么回事，他們卻沒給出進一步的解釋，甚至連“波函數坍縮是不是一個真實的物理過程”，他們自己都說不清。這就為其蒙上了一層神秘的面紗。

各種替代解釋

雖然量子力學解釋各種物理現象所向披靡，但對自己的“波函數坍縮”卻至今解釋不了。長期以來，這是它的一個“心病”。

為避免這種尷尬的局面，后來的理論家們也提出了各種替代方案。例如，在由美國物理學家休·埃弗雷特提出的“多世界解釋”中，波函數坍縮是不必要的。它說，當進行測量時，波函數中包含的所有可能結果都會在許多不同的世界中成為現實。比如說，粒子的狀態有兩種可能：衰變/沒衰變?，F在去測量它有沒有衰變，測得結果是它衰變了。但這個結果僅僅發生在我們這個世界，在另一世界，粒子選擇呈現的卻是另一種結果——沒衰變。只是在測量時，那個世界與我們的世界分道揚鑣了。推而廣之，對粒子做的每一次測量，都會造成世界的一次新的分裂——這就是“多世界解釋”這個名稱的由來。

這理論也很神秘，是不是？但它的擁躉還不少呢。

另一種解釋是由美國物理學家波姆提出來的，通常稱為“波姆力學”。在這個理論中，波函數被理解成引導粒子運動的一種“導航波”，由它將“云里霧里”的粒子引導到一個確定的狀態。只是要描述這個引導過程，哥本哈根派的波函數中還少了一點東西，需要在其中增加一個額外的變量，波姆稱其為“隱變量”?！半[”即至今隱藏著，還未被發現的意思。波姆本人終其一生都在尋找這個隱變量。這個理論也認為波函數坍縮是不必要的。

還有一種解釋，稱為“客觀坍縮”解釋。它說，波函數坍縮是一個真實的物理過程，但像波姆一樣，也認為需要在薛定諤方程中增加了一個額外的變量來描述這個過程。

事實上，替代方案很多，限于篇幅，這里僅舉三種。

量子軌跡理論

所有這些解決方案都有自己的問題，這就是為什么物理學家幾十年來一直在爭論的原因。爭論基本上沒有結果，因為沒有任何確鑿的證據能幫助人們做出選擇。美國耶魯大學的物理學家茲拉特科·米涅夫試圖改變這一局面，最近他和他的同事做了一項雄心勃勃的實驗，旨在比以往任何時候都更敏感地探索涉及量子的測量問題。

為了理解他們的結果，讓我們先來了解一種鮮為人知的理論——量子軌跡理論。它是在20世紀90年代發展起來的，用來追蹤一個量子物體在測量過程中隨著時間而發生的變化。

量子軌跡理論完全是從常規量子力學發展出來的。薛定諤方程只能描述孤立的量子系統，而量子軌跡理論可以描述量子物體與環境的相互作用。相互作用的結果是，量子物體漸漸失去其量子性，表現為經典物體（可用經典物理學描述的物體）。譬如說，原來具有波動性的粒子，不再表現出波動性;原來量子糾纏的一群粒子失去糾纏性，等等。這樣一個從量子物體退化為經典物體的過程，物理學上叫退相干。其實，退相干是一種非常普遍的現象。因為我們知道，宏觀物體都是由微觀粒子組成的，既然微觀粒子具有量子性，為什么大量微觀粒子組成的宏觀物體就不再具有量子性了呢？對了，就是因為退相干。

米涅夫（右）和他的導師

多年以來，物理學家試圖用量子軌跡理論來分析一些典型的量子過程，譬如量子躍遷（所謂量子躍遷，就是原子在各種能量狀態之間的跳躍，跳躍時吸收或者發射一個光子），但要得出準確的結果，難度極大。你得要知道幾乎所有發生的事情。例如，你需要以非常短的時間間隔不斷檢查光子是否已發射。你不能錯過一個光子。每次檢查時，都必須考慮原子在發射光子時所產生的反沖力對自己的影響（就像子彈射出后，槍座受到反沖，位置有輕微的改變）。這個難度有多大，外行幾乎難以想象。所以迄今為止，物理學家在這方面的努力一直受挫。

量子躍遷不再神秘

現在，這種狀況已經改變。美國物理學家米涅夫領導的團隊用超導體構建一個人造原子，這個人造原子具有真實原子的基本特征（比如說它的能量狀態也是不連續的，像梯級）。然后，他們用微波激發這個“原子”，讓它從能量低的基態躍遷到能量高的激發態，而后，人造原子將發射一個光子，從激發態躍遷回基態。在這過程中，他們以無與倫比的精確度觀察了量子躍遷。

按哥本哈根派的解釋，量子躍遷就是一種波函數坍縮的過程：當觀測一個處于激發態的粒子時，粒子的波函數坍縮，導致它回到基態。因此，量子躍遷也被認為是一種零時間、沒任何預兆、隨機發生的。

科學家拍攝到的量子躍遷過程是漸進的，而非零時間的突變。

但米涅夫等人觀察到的量子躍遷要比這復雜得多。他們所看到的量子躍遷，隨著時間，是連續漸進地發生的：處于較高能量狀態的原子，在持續觀測的作用下（因為觀測一個物體，需要通過與它相互作用才能實現，譬如向它發射光子，然后接收發射回來的光子），不斷失去穩定性，觀測所施加的影響不斷累積，最后才發生躍遷。打個比方，這就好比一個人，不停地被人推搡，身子搖晃得越來越厲害，最后失去平衡，才一頭栽倒在地。為了向公眾展示這一過程，他們還錄制了一段慢鏡頭，鏡頭中量子躍遷就像一個雪人在陽光下融化一樣，緩慢發生。

此外，米涅夫等人看到，量子躍遷發生的時刻雖然是隨機的，但在即將發生之前有一種預兆：粒子的擺動會變得異常平靜，就好像火山爆發前會有一段異常平靜的時間。因有這個預兆，他們還可以阻止即將發生的量子躍遷，讓系統恢復到初始狀態。這樣，原先被哥本哈根派認為與生俱來的量子隨機性，現在被證明在一定程度上是可以控制的。

假如我們把量子物體比喻成一個愛發脾氣的人，雖然他何時發脾氣是隨機的、無法預料的，但因為他發脾氣之前總有預兆，我們一旦觀察到預兆，及時安撫，就可以讓他把氣消掉。

“波函數坍縮”——一個多余的假設

如果沿用哥本哈根派“波函數坍縮”的概念，那么米涅夫等人的工作證實了，“波函數坍縮”是一個實實在在的物理過程，而前面提到，哥本哈根派在這個問題上是支吾其詞的，因為他們把“波函數坍縮”搞得太神秘了，連自己都不相信是否實有其事。

哥本哈根派認為，在觀測過程中，“波函數坍縮”是不可避免的，這又賦予了“觀測”很大的神秘性，似乎“波函數坍縮”完全取決于觀測。這一觀點的一個極端例子是薛定諤的貓實驗。在那個實驗中，貓的生死都完全取決于你是否打開箱子去觀測。

但米涅夫等人給“觀測”祛了魅，告訴我們，對量子物體的測量跟對宏觀物體的測量沒有本質的區別，都不過是測量工具對測量物體施加的作用。他們甚至提出，只要小心控制量子物體與測量工具的相互作用，就可以將干擾降到最低，從而在進行測量時避免“波函數坍縮”。而這也意味著，我們可以對一個量子系統進行理想的測量，即在測量時不破壞它的量子態。這對于量子計算機的研究具有重大意義。

與此同時，這些成果給了我們很多值得深思的地方，其中一個重要的含義是，“波函數坍縮”的概念完全是一個多余的假設。就量子躍遷而言，只需要考慮量子與測量工具的相互作用，即可解釋，不需要引入玄乎其玄的“波函數坍縮”。

在熱學上，也曾經有過“一個假設最后被認為多余”的例子。我們知道，在顯微鏡下，花粉顆粒在液體中不停地做無規則運動，這叫“布朗運動”。在分子學說提出之前，人們杜撰出一個小精靈，說是它在推動著花粉運動。等到分子學說提出來后，大家才知道，花粉是因為受到環境中液體分子的碰撞才不停運動的。于是，假設一個小精靈就沒必要了。

能否給量子世界徹底祛魅？

那么，現在該如何理解測量結果的隨機性呢？譬如測量同一個量子物體，這一刻測得它在這里，下一刻測量，它又不在這里了，這怎么解釋？根據哥本哈根派的說法，那是量子物體與生俱來的任性，單次的測量結果只能隨它自己高興，我們也拿它沒辦法，但多次測量得到的統計結果，還是會符合我們的預期的。

現在，我們可以對測量結果的隨機性給出更合理的解釋。假設你想在顯微鏡下測量一個粒子的位置。要知道它的位置信息，你需要向它發射光子，然后接收發射回來的光子。譬如顯微鏡聚焦后，接收到的光子告訴你，粒子處于顯微鏡視域的中心位置?？墒牵庾哟虻搅Ｗ由现螅赡芫桶蚜Ｗ幼驳竭h處去了。假如你還是以原來的聚焦條件進行第二次觀測，粒子就不在老地方了。你必須重新聚焦，才能找到它的新位置。位置的不確定性就是由此產生的，這里面沒有任何神秘的東西。

消除了之前被稱為“波函數坍縮”的概念，量子理論的多世界解釋甚至也變得多余。因為這個同樣神秘的量子理論，本來就是作為“波函數坍縮”的替代理論出現的，皮之不存，毛將焉附？同樣，其他幾種替代理論也都是多余的。

當然，量子世界除了“波函數坍縮”，還籠罩著其他很多神秘，譬如疊加態、量子糾纏等。這項研究能否徹底給量子世界祛魅？我們能否在此基礎上發展出一套全新的量子理論？這些問題目前還未可知。但至少，量子力學的最大“心病”已經有了結果。

最新的實驗似乎證明“多宇宙解釋”是多余的假設。