關(guān)于現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)，量子理論究竟告訴了我們什么？

100年來(lái)，量子理論為我們描繪了一個(gè)奇異得難以言喻的微觀世界。但如今，一些大膽的新詮釋與實(shí)驗(yàn)，或許將幫助我們最終領(lǐng)會(huì)其真實(shí)的含義。

編譯

量的的，不在于它物理學(xué)一個(gè)隨以理現(xiàn)實(shí)圖景。由基本粒子構(gòu)成的世界一一個(gè)我們從未直接體驗(yàn)過(guò)的領(lǐng)域一與我們感知到的世界截然不同，這一點(diǎn)并不難接受。

問(wèn)題在于，它沒有描繪這兩個(gè)世界之間的“過(guò)渡地帶”，沒有清晰地勾勒出一個(gè)世界是如何從另一個(gè)世界中產(chǎn)生的。其結(jié)果是，哪怕這幅科學(xué)杰作早已完成了一個(gè)世紀(jì)，我們?nèi)匀徊恢浪鼘?duì)于我們理解現(xiàn)實(shí)意味著什么。

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，我們并不缺乏想法。至于你傾向于哪種解釋，這在很大程度上是一個(gè)品位問(wèn)題，或者至少是一個(gè)哲學(xué)問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兺鶡o(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。正如物理學(xué)家大衛(wèi)·默明（N.DavidMermin）打趣說(shuō)的那樣：“新的詮釋每年都會(huì)出現(xiàn)，但從未有哪一個(gè)徹底消失。”

不過(guò)，過(guò)去十年間情況有所改變。量子理論的一個(gè)新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是首次提出了明確的觀測(cè)預(yù)測(cè)，為實(shí)證研究帶來(lái)了希望。與此同時(shí)，另一種理論則因其似乎能一舉解決多個(gè)令人困惑的量子謎題而備受關(guān)注一盡管它意味著“客觀現(xiàn)實(shí)”或許根本不存在。

更令人振奮的是，物理學(xué)家甚至開始嘗試通過(guò)新方法檢驗(yàn)這些假設(shè)的有效性。當(dāng)他們將令人眼花繚亂的思想實(shí)驗(yàn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)世界中的測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們或許終于能夠在理解量子理論含義的問(wèn)題上取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。“我們現(xiàn)在可以開始縮小可能性的范圍了。”澳大利亞昆士蘭格里菲斯大學(xué)的量子物理學(xué)家埃里克·卡瓦爾坎蒂（EricCavalcanti）如是說(shuō)。

量子理論

20世紀(jì)20年代中期，量子力學(xué)的發(fā)展徹底顛覆了人類長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)宇宙運(yùn)行方式的直覺認(rèn)識(shí)。自艾薩克·牛頓（IsaacNewton）在17世紀(jì)提出他的運(yùn)動(dòng)與引力定律以來(lái)，物理學(xué)家一直采用一種固定的方式來(lái)構(gòu)建理論：設(shè)定一個(gè)物理系統(tǒng)，然后用一些方程來(lái)預(yù)測(cè)它隨時(shí)間如何變化。

但經(jīng)典力學(xué)無(wú)法描述電子、光子等亞原子粒子的行為。實(shí)驗(yàn)顯示，這些粒子能做出各種怪異的行為一表現(xiàn)得像波一樣，并且似乎可以同時(shí)處于多個(gè)可能狀態(tài)的“疊加態(tài)”中。只有當(dāng)你去測(cè)量它們時(shí)，它們才表現(xiàn)出確定性的屬性。

名于這個(gè)解釋誕生的丹麥城市。它認(rèn)為，在粒子被測(cè)量之前，我們對(duì)其狀態(tài)一無(wú)所知。這在數(shù)學(xué)上是可行的，因此“閉嘴計(jì)算就行”（默明的另一句名言）。但哥本哈根學(xué)說(shuō)從一開始就飽受爭(zhēng)議，阿爾伯特·愛因斯坦（AlbertEinstein）就曾對(duì)量子世界明顯的概率性質(zhì)提出過(guò)著名的抨擊，并堅(jiān)稱“上帝不擲骰子”。

測(cè)量之前到底發(fā)生了什么？量子理論沒有說(shuō)明。

薛定諤方程捕捉到了這種模糊性，它引入了一個(gè)叫作“波函數(shù)”的數(shù)學(xué)概念來(lái)表征所有可能的觀測(cè)結(jié)果。這使我們可以計(jì)算出粒子在被測(cè)量時(shí)出現(xiàn)在特定位置的概率，此時(shí)波函數(shù)被認(rèn)為“坍縮”了。但它無(wú)法告訴我們某次測(cè)量的確切結(jié)果。換句話說(shuō)，在測(cè)量之前，我們只能知道各種可能結(jié)果發(fā)生的概率。

測(cè)量之前發(fā)生了什么？量子理論沒有說(shuō)明。它也沒有說(shuō)明什么才算是“測(cè)量”。它甚至沒有告訴我們，波函數(shù)（通常也被稱為“量子態(tài)”）是否真正代表了物理現(xiàn)實(shí)。對(duì)于這樣一套備受推崇的理論而言，未知之處實(shí)在太多了。但歸根結(jié)底，它們都可以被歸結(jié)為一個(gè)深刻的問(wèn)題：我們看到的可預(yù)測(cè)的宏觀世界一其本身也由原子和粒子構(gòu)成一是如何從這個(gè)虛無(wú)縹緲的量子幽境中產(chǎn)生的？物理學(xué)家稱之為測(cè)量問(wèn)題，它仍然是量子力學(xué)的核心謎題。

哥本哈根詮釋

許多物理學(xué)家至今仍覺得哥本哈根學(xué)說(shuō)是敷衍的。“它并不是一個(gè)對(duì)現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的嚴(yán)肅回答，”德國(guó)圖賓根大學(xué)理論物理學(xué)家羅德里希·圖穆爾卡（RoderichTumulka）表示，“我們想要的是關(guān)于現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的明確陳述。”這種解釋似乎也留下了一個(gè)看似荒謬的想法一正是我們這些進(jìn)行觀測(cè)的人類，也就是具備意識(shí)的個(gè)體，才“促使”波函數(shù)坍縮。

圖穆爾卡等人傾向于將波函數(shù)看作現(xiàn)實(shí)本身的一部分，即無(wú)論我們是否觀測(cè)，它都真實(shí)存在。其中最有名的解釋是“多重世界詮釋”，它認(rèn)為波函數(shù)中包含的所有可能結(jié)果都會(huì)在測(cè)量時(shí)得以實(shí)現(xiàn)，每種結(jié)果都在一個(gè)獨(dú)立宇宙中呈現(xiàn)。

但也有人提出“客觀坍縮理論”，它認(rèn)為量子力學(xué)尚不完整，需要在薛定諤方程的基礎(chǔ)上加上某種機(jī)制，來(lái)解釋波函數(shù)為何以及如何發(fā)生坍縮。“這種解釋與標(biāo)準(zhǔn)詮釋的（關(guān)鍵）區(qū)別在于：波函數(shù)的坍縮并不是在測(cè)量過(guò)程結(jié)束時(shí)神奇地發(fā)生的，而是整個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的一部分。”意大利的里雅斯特大學(xué)理論物理學(xué)家安杰洛·巴錫（AngeloBassi）說(shuō)。

教材中給出的答案是“哥本哈根詮釋”一得

近年來(lái)，坍縮理論贏得了比大多數(shù)理論更多的關(guān)注，部分原因是它們?yōu)榻?jīng)典現(xiàn)實(shí)如何在不涉及人類觀測(cè)者的情況下出現(xiàn)提供了合理的解釋。按照這種理論，我們之所以看不到像畫框或畫筆這樣的大型物體處于疊加態(tài)，是因?yàn)樘s過(guò)程的運(yùn)行機(jī)制一相互作用的粒子越多，坍縮就越容易發(fā)生。

究竟是什么引發(fā)了這種持續(xù)的坍縮，目前還不完全清楚。有的模型沒有說(shuō)明，有些則認(rèn)為是引力。但巴錫認(rèn)為，這最終可能也沒有好的答案它可能就是自然界的一種屬性。“這就是我喜歡坍縮模型的原因，因?yàn)樗鼈冊(cè)噲D為我們打開一扇通往全新世界的大門一一個(gè)我們尚無(wú)法理解的、超越量子力學(xué)的世界。”

然而，真正讓坍縮模型與眾不同的是：它們可以被實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。它們給出了一些和標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)不同的明確觀測(cè)預(yù)測(cè)。例如，這種自發(fā)坍縮的恒定過(guò)程應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致量子粒子不停地晃動(dòng)，進(jìn)而釋放出多余能量一哪怕信號(hào)非常微弱，理論上它也應(yīng)該能被檢測(cè)到。

檢驗(yàn)量子詮釋

在過(guò)去的十年里，巴錫與世界各地的同事們一起開展了一項(xiàng)雄心勃勃的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，旨在尋找這樣的信號(hào)。他們大部分時(shí)間都在重新利用本來(lái)用于探測(cè)暗物質(zhì)或“幽靈粒子”中微子的探測(cè)器，例如意大利格蘭薩索山丘地下深處的超靈敏儀器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果正在悄然產(chǎn)生。在2020年，包括巴錫與意大利國(guó)家核物理研究所的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家卡特琳娜·庫(kù)爾切阿努（CatalinaCurceanu）在內(nèi)的一個(gè)研究小組，就排除了一個(gè)“由引力導(dǎo)致坍縮”的最簡(jiǎn)單模型。

類似實(shí)驗(yàn)仍在持續(xù)進(jìn)行中，每一次新的分析都為我們帶來(lái)新的約束條件，以確定這些模型中哪些可能是有效的。不過(guò)，雖然我們終于有機(jī)會(huì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)排除客觀坍縮本身就是一種進(jìn)步，但真正做到這一點(diǎn)卻是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。“自前還沒有檢測(cè)到信號(hào)，但這只是開始。”巴錫說(shuō)。

如果我們真的探測(cè)到了一個(gè)大家公認(rèn)的可以支持“客觀坍縮”模型的信號(hào)，那它無(wú)疑足以贏得諾貝爾獎(jiǎng)。但瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的馬格達(dá)萊娜·齊赫（MagdalenaZych）指出，這是否能立即揭示量子理論的真正含義，則是另一回事，因?yàn)槲覀冞€必須弄清環(huán)境中發(fā)生坍縮的是什么。

“從這個(gè)意義上說(shuō)，它可以解決測(cè)量問(wèn)題，如果你相信量子理論確實(shí)缺了點(diǎn)什么，那么這就是你要找的答案。”齊赫說(shuō)，“但它并不真正揭示量子力學(xué)對(duì)現(xiàn)實(shí)的含義，因?yàn)槟闳匀恍枰谀撤N程度上人為地賦予它意義，你得說(shuō)清楚環(huán)境中（使波函數(shù)坍縮）的噪聲到底是什么。”

更重要的是，齊赫指出，我們?nèi)詿o(wú)法解釋為什么量子粒子的可觀測(cè)性質(zhì)會(huì)以概率的方式從測(cè)量行為中浮現(xiàn)出來(lái)。“這才是所有這一切的真正深層謎團(tuán)，也就是我們?yōu)槭裁幢仨氂酶怕蕘?lái)描述一切。”她說(shuō)。沒有任何顯而易見的理由可以說(shuō)明，亞原子粒子的行為為什么不能受確定性法則的支配。而它們不能這一事實(shí)本身就需要一個(gè)解釋。

量子貝葉斯主義

在齊赫看來(lái)，真正正面迎戰(zhàn)這個(gè)難題的是另一類量子理論詮釋。巴錫和圖穆爾卡等人堅(jiān)持認(rèn)為量子態(tài)是真實(shí)的，而一些物理學(xué)家則持截然不同的觀點(diǎn)：量子態(tài)根本不代表獨(dú)立的現(xiàn)實(shí)。

這類詮釋中最引人注目的可能就是“量子貝葉斯主義”（QBism），它建立在由18世紀(jì)神學(xué)家托馬斯·貝葉斯（ThomasBayes）所創(chuàng)的概率解釋體系之上。

通常，我們以“頻率主義”的方式看待概率：我們計(jì)算多次拋擲硬幣的結(jié)果，得出正面或反面向上概率均為 50% 的結(jié)論。類似地，對(duì)粒子的多次測(cè)量就能得出它在被測(cè)量時(shí)處于一種狀態(tài)或另一種狀態(tài)的相對(duì)概率。相比之下，貝葉斯方法認(rèn)為概率是一種主觀值，會(huì)隨著新信息的獲得而更新。

根據(jù)這一觀點(diǎn)，QBism理論的核心論點(diǎn)是量子力學(xué)同樣具有主觀性。它就觀測(cè)者在進(jìn)行測(cè)量時(shí)應(yīng)該相信什么提出了建議，并允許觀測(cè)者根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更新這些信念。“它是一套供觀測(cè)者導(dǎo)航世界的理論。”倫敦大學(xué)皇家霍洛威學(xué)院的魯?shù)细瘛ど晨耍≧uedigerSchack）說(shuō)。他與馬薩諸塞大學(xué)波士頓分校的克里斯·富克斯（ChrisFuchs）共同發(fā)展了QBism理論。

沙克說(shuō)，這正是它的核心立場(chǎng)，也是量子力學(xué)的最偉大教訓(xùn)：現(xiàn)實(shí)是無(wú)法僅靠第三人稱視角捕捉的。“這是一種完全不同的看待世界的方式。”

其他人則認(rèn)為QBism理論難以接受。例如，巴錫就表示，放棄“客觀現(xiàn)實(shí)”這一代價(jià)實(shí)在太大。“物理學(xué)的意義在于以客觀的方式描述自然。”他說(shuō)。另一個(gè)問(wèn)題是，QBism理論似乎并沒有提供與標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)不同的可觀測(cè)預(yù)測(cè)，也沒有現(xiàn)實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證路線。“說(shuō)服人們可能只能靠指出其他理論的不足之處。”沙克坦言道。

真正讓坍縮模型與眾不同的是：它們可以被實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

可以說(shuō)，我們又回到了起點(diǎn)。如果我們最有希望從經(jīng)驗(yàn)上解決測(cè)量問(wèn)題的詮釋即便被證實(shí)，也仍舊無(wú)法回答所有問(wèn)題，而能夠解決這些問(wèn)題的替代解釋卻無(wú)法被檢驗(yàn)，那么我們?cè)摵稳ズ螐哪兀?/p>

實(shí)驗(yàn)形而上學(xué)

這種解釋的魅力在于，它似乎能同時(shí)解決多個(gè)量子難題。它通過(guò)賦予甚至要求主觀經(jīng)驗(yàn)發(fā)揮核心作用來(lái)解決測(cè)量問(wèn)題。沙克認(rèn)為，波函數(shù)的神秘坍縮只不過(guò)是觀測(cè)者在測(cè)量時(shí)更新自身信念的過(guò)程。

與此同時(shí)，QBism理論針對(duì)經(jīng)典現(xiàn)實(shí)如何從量子迷霧中產(chǎn)生這一問(wèn)題給出的答案是，它是我們對(duì)世界的行動(dòng)，以及我們不斷更新對(duì)它的信念的結(jié)果。這個(gè)想法甚至輕松化解了著名的“維格納之友悖論”，這是物理學(xué)家尤金·維格納（EugeneWigner）在20世紀(jì)50年代提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。其核心是：它表明兩個(gè)觀測(cè)者一維格納和一個(gè)觀測(cè)他對(duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的朋友一可以對(duì)現(xiàn)實(shí)有兩種相互矛盾的體驗(yàn)。

但對(duì)于“量子貝葉斯主義者”（QBist）來(lái)說(shuō)，并不存在悖論，因?yàn)槊總€(gè)測(cè)量結(jié)果都是觀測(cè)者自身體驗(yàn)的一部分。因此，QBism理論徹底否定了“可以從第三人稱視角客觀描述宇宙”的想法。

不過(guò)，我們或許仍有理由保持樂(lè)觀。在過(guò)去幾年里，一些物理學(xué)家已經(jīng)開始證明，構(gòu)成我們對(duì)量子理論意義理解基礎(chǔ)的前提假設(shè)一這些通常被歸為形而上學(xué)而非科學(xué)領(lǐng)域的東西一實(shí)際上也可能被納入實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的范疇之內(nèi)。他們稱為“實(shí)驗(yàn)形而上學(xué)”。“這種方法試圖明確不同量子詮釋背后的形而上學(xué)假設(shè)。”卡瓦爾坎蒂說(shuō)。他是該領(lǐng)域的重要推動(dòng)者之一。這些前提包括：觀測(cè)事件的絕對(duì)性（即測(cè)量結(jié)果對(duì)所有觀測(cè)者都是一樣的）、選擇自由（即測(cè)量結(jié)果不是由某些測(cè)量相關(guān)因素決定的），以及局域性（即自由選擇不能影響遠(yuǎn)處或過(guò)去實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果）。“單獨(dú)來(lái)看，這些前提可能無(wú)法被檢驗(yàn)，但合在一起就可以。”卡瓦爾坎蒂說(shuō)。這種方式或許能排除某一類量子詮釋。

卡瓦爾坎蒂是迄今為止利用這種方法進(jìn)行最有力演示的團(tuán)隊(duì)成員之一。2020年，他和他的同事們利用光子進(jìn)行了一次升級(jí)版的“維格納之友”

思想實(shí)驗(yàn)，其中還涉及了“糾纏”現(xiàn)象一一種能讓粒子在遠(yuǎn)處仍保持關(guān)聯(lián)的量子特性。簡(jiǎn)而言之，他們發(fā)現(xiàn)，如果標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)是正確的（例如，沒有發(fā)現(xiàn)客觀坍縮的信號(hào)），我們就必須放棄這些假設(shè)中的一個(gè)：局域性、選擇自由或觀測(cè)事件的絕對(duì)性。

這對(duì)物理現(xiàn)實(shí)施加了迄今最嚴(yán)格的約束條件。卡瓦爾坎蒂說(shuō)：“如果你想保留‘選擇自由’與“局域性’，那你就必須放棄‘觀測(cè)事件的絕對(duì)性’假設(shè)。”而這正是QBism理論所堅(jiān)持的觀點(diǎn)。因此，盡管我們還不能說(shuō)QBism理論或其他詮釋是思考量子力學(xué)意義的正確方式，“但我們現(xiàn)在可以縮小可能性的范圍了”。

現(xiàn)在，他想更進(jìn)一步。在2020年的實(shí)驗(yàn)中，卡瓦爾坎蒂和他的同事們用光子探測(cè)器代替了維格納本人，并用光子來(lái)模擬“他的朋友”。然而，光子顯然與維格納在20世紀(jì)50年代想象的人類觀測(cè)者相去甚遠(yuǎn)，大多數(shù)人可能會(huì)說(shuō)光子不算觀測(cè)者。由于量子態(tài)的脆弱性，要讓一個(gè)由幾千個(gè)原子組成的分子保持疊加狀態(tài)是非常困難的，更別提復(fù)雜如人類了。但是卡瓦爾坎蒂和他的同事們提出，有朝一日我們也許可以用大型量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的先進(jìn)人工智能算法做同樣的實(shí)驗(yàn)，在模擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。他說(shuō)，這可能會(huì)告訴我們是否真的必須放棄我們珍視的“客觀性”觀念，盡管離真正實(shí)現(xiàn)這種實(shí)驗(yàn)還很遙遠(yuǎn)。

目前唯一確切知道的是，某種經(jīng)典的世界觀已經(jīng)失效。我們可以用數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)證明這一點(diǎn)，就像我們知道科學(xué)中的任何事情一樣。”卡瓦爾坎蒂說(shuō)。

現(xiàn)在，我們每個(gè)人都必須根據(jù)自己的理論思考來(lái)決定，在對(duì)量子力學(xué)含義的各種詮釋中，哪一種更有吸引力：你是否準(zhǔn)備放棄一種或另一種假設(shè)？反過(guò)來(lái)，你愿意為保留你最珍視的假設(shè)付出什么樣的代價(jià)？

卡瓦爾坎蒂指出，在理想情況下，我們可以從尋找“量子力學(xué)與愛因斯坦的廣義相對(duì)論如何相容”的嘗試中獲得指引。廣義相對(duì)論將引力描述為質(zhì)量扭曲時(shí)空的結(jié)果。他說(shuō)，如果某種特定的解釋能幫助我們?cè)谶@方面取得進(jìn)展，那將是一條強(qiáng)有力的線索。“我認(rèn)為這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是相關(guān)聯(lián)的，”他說(shuō)，“因?yàn)椤录欠窠^對(duì)’這個(gè)問(wèn)題，對(duì)建立一個(gè)可行的量子引力理論至關(guān)重要。”

與此同時(shí)，我們至少已經(jīng)開始用我們能夠理解的術(shù)語(yǔ)來(lái)解釋量子力學(xué)提出的問(wèn)題，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)縮小可行理論的范圍。我們所能做的就是努力尋找更復(fù)雜的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，卡瓦爾坎蒂說(shuō)：“我認(rèn)為，當(dāng)我們用多種方式來(lái)看待世界時(shí)，對(duì)世界的理解不可能比原來(lái)更少。” ?

資料來(lái)源NewScientist

量子引力

那么，在經(jīng)歷了這一切之后，我們對(duì)量子力學(xué)究竟揭示了什么樣的現(xiàn)實(shí)，還能期望得到一個(gè)明確答案嗎？在某種意義上，我們與量子力學(xué)創(chuàng)始人當(dāng)年為其意義爭(zhēng)論不休的狀態(tài)并無(wú)太大差別。“我們丹尼爾·科辛斯（DanielCossins）是一位自由撰稿人，曾在《新科學(xué)家》任職九年，最后擔(dān)任專題編輯負(fù)責(zé)人。他擁有英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的歷史學(xué)學(xué)士學(xué)位及歷史研究碩士學(xué)位。科辛斯主要關(guān)注自然科學(xué)，尤其是宇宙學(xué)、粒子物理學(xué)與凝聚態(tài)物理