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(jīng)被我們解開。

有人說，我們這個(gè)時(shí)代是祛魅的時(shí)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(huì)時(shí)不時(shí)出來作祟。如今，這些迷信都被科學(xué)掃蕩干凈?！办铟取本褪鞘勾笞匀蛔兊貌辉偕衩氐囊馑?。

可是，說來也夠怪的，正當(dāng)我們對(duì)身邊的大自然（即宏觀世界）祛魅之時(shí)，在由原子和基本粒子組成的微觀世界里，正神秘地發(fā)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(xiàn)得比鬼魅還神秘。你瞧：它時(shí)而是粒子，時(shí)而是波，玩著種種變形記;它在同一時(shí)刻，既可以在這里，又可以在那里，仿佛有分身術(shù)（這種同一時(shí)刻集多種可能性于一身的現(xiàn)象，叫疊加態(tài)）……總之，完全不像我們熟悉的事物。我們平常說的“現(xiàn)實(shí)”指的是一切事物都確定、有規(guī)律可循的世界，而這些粒子表現(xiàn)出來的卻是完全不確定，所以可以說它并非存在于現(xiàn)實(shí)之中。它好像存在于一團(tuán)模糊的“云”中，但“云深不知處”。

什么時(shí)候粒子的“身份”“位置”等屬性才能確定下來呢？答案是，測(cè)量的時(shí)候。測(cè)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(cè)量，粒子也必須給我們一個(gè)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(xiàn)。但吊詭的是，盡管測(cè)量條件完全相同，每次的測(cè)量結(jié)果卻可能都不一樣，就好像投硬幣，雖然每一次落地結(jié)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(yù)料的。

在未測(cè)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(zhì)的區(qū)別。對(duì)于硬幣的不確定性，經(jīng)典物理學(xué)說，那是因?yàn)槲覀儧]有掌握影響其結(jié)果的一切因素，比如投擲的力有多大，方向如何，當(dāng)時(shí)的空氣狀況如何，等等。一旦知道了這一切，我們就能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)每一次的投擲結(jié)果。而粒子的“任性”是量子物體與生俱來的特征，跟外界無關(guān)，也是我們無法左右的。

所以，對(duì)于拋擲中的硬幣，雖然正反不確定，我們還是會(huì)說它處于現(xiàn)實(shí)之中;但對(duì)于還未測(cè)量的粒子，就只能說它處于“非現(xiàn)實(shí)”之中了（至于什么樣的“非現(xiàn)實(shí)”，物理學(xué)家就詞窮了），一直要等到它被我們測(cè)量，結(jié)果確定了，我們才說，它回到了現(xiàn)實(shí)中。

更加詭異的波函數(shù)坍縮

在物理學(xué)上，描述微觀粒子的理論叫“量子力學(xué)”。它是在20世紀(jì)20年代發(fā)展起來的，目的是解釋為什么像電子這樣的微觀粒子有時(shí)表現(xiàn)得像波，而像光這樣的波有時(shí)卻表現(xiàn)得像粒子（光子）——以及為什么在原子中，電子所處的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，只能取某些特定值，像樓梯（這樣的能量狀態(tài)叫能級(jí)）而不像滑梯。量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一薛定諤發(fā)明了一個(gè)方程，用“波函數(shù)”來描述粒子的這種模棱兩可的行為。一個(gè)粒子的所有信息（如位置、能量、自旋等）都包含在它的波函數(shù)中。你可以用波函數(shù)可靠地計(jì)算出，如果測(cè)量它，它處于某種特定狀態(tài)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(xiàn)實(shí)”中現(xiàn)身現(xiàn)實(shí)，另一位物理學(xué)家馮·諾依曼又引入了“波函數(shù)坍縮”的概念。他說，盡管波函數(shù)中包含著粒子的所有可能性，但在測(cè)量時(shí)，波函數(shù)瞬間“坍縮”了，像一團(tuán)飄忽的“不確定”的云，瞬間凝聚成一滴“確定”的雨點(diǎn)，于是粒子從眾多可能性中選擇了一種呈現(xiàn)給我們。但注意，這僅僅是一次測(cè)量，因?yàn)槊看螠y(cè)量，粒子選擇呈現(xiàn)給我們的可能性都不一樣。換句話說，每一次測(cè)量的結(jié)果都是隨機(jī)的。不過，重復(fù)測(cè)量卻又符合用薛定諤方程預(yù)測(cè)的概率。還是拿拋硬幣做比方，盡管每次正反朝上的結(jié)果是隨機(jī)的，但重復(fù)拋，最終還是符合兩種結(jié)果1：1的預(yù)測(cè)的。

在薛定諤貓實(shí)驗(yàn)中，貓的生死似乎都由我們是否打開箱子測(cè)量決定。

這個(gè)波函數(shù)坍縮的理論，通常被稱為量子力學(xué)的哥本哈根派解釋。因?yàn)檫@一派物理學(xué)家的大本營(yíng)在丹麥的哥本哈根。根據(jù)哥本哈根派的說法，波函數(shù)坍縮是不需要時(shí)間（零時(shí)間）、沒任何預(yù)兆、隨機(jī)發(fā)生的?？墒牵@個(gè)過程到底是怎么回事，他們卻沒給出進(jìn)一步的解釋，甚至連“波函數(shù)坍縮是不是一個(gè)真實(shí)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(xué)解釋各種物理現(xiàn)象所向披靡，但對(duì)自己的“波函數(shù)坍縮”卻至今解釋不了。長(zhǎng)期以來，這是它的一個(gè)“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(guó)物理學(xué)家休·埃弗雷特提出的“多世界解釋”中，波函數(shù)坍縮是不必要的。它說，當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，波函數(shù)中包含的所有可能結(jié)果都會(huì)在許多不同的世界中成為現(xiàn)實(shí)。比如說，粒子的狀態(tài)有兩種可能：衰變/沒衰變?，F(xiàn)在去測(cè)量它有沒有衰變，測(cè)得結(jié)果是它衰變了。但這個(gè)結(jié)果僅僅發(fā)生在我們這個(gè)世界，在另一世界，粒子選擇呈現(xiàn)的卻是另一種結(jié)果——沒衰變。只是在測(cè)量時(shí)，那個(gè)世界與我們的世界分道揚(yáng)鑣了。推而廣之，對(duì)粒子做的每一次測(cè)量，都會(huì)造成世界的一次新的分裂——這就是“多世界解釋”這個(gè)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(guó)物理學(xué)家波姆提出來的，通常稱為“波姆力學(xué)”。在這個(gè)理論中，波函數(shù)被理解成引導(dǎo)粒子運(yùn)動(dòng)的一種“導(dǎo)航波”，由它將“云里霧里”的粒子引導(dǎo)到一個(gè)確定的狀態(tài)。只是要描述這個(gè)引導(dǎo)過程，哥本哈根派的波函數(shù)中還少了一點(diǎn)東西，需要在其中增加一個(gè)額外的變量，波姆稱其為“隱變量”?！半[”即至今隱藏著，還未被發(fā)現(xiàn)的意思。波姆本人終其一生都在尋找這個(gè)隱變量。這個(gè)理論也認(rèn)為波函數(shù)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(shù)坍縮是一個(gè)真實(shí)的物理過程，但像波姆一樣，也認(rèn)為需要在薛定諤方程中增加了一個(gè)額外的變量來描述這個(gè)過程。

事實(shí)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(xué)家?guī)资陙硪恢痹跔?zhēng)論的原因。爭(zhēng)論基本上沒有結(jié)果，因?yàn)闆]有任何確鑿的證據(jù)能幫助人們做出選擇。美國(guó)耶魯大學(xué)的物理學(xué)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(xiàng)雄心勃勃的實(shí)驗(yàn)，旨在比以往任何時(shí)候都更敏感地探索涉及量子的測(cè)量問題。

為了理解他們的結(jié)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(jì)90年代發(fā)展起來的，用來追蹤一個(gè)量子物體在測(cè)量過程中隨著時(shí)間而發(fā)生的變化。

量子軌跡理論完全是從常規(guī)量子力學(xué)發(fā)展出來的。薛定諤方程只能描述孤立的量子系統(tǒng)，而量子軌跡理論可以描述量子物體與環(huán)境的相互作用。相互作用的結(jié)果是，量子物體漸漸失去其量子性，表現(xiàn)為經(jīng)典物體（可用經(jīng)典物理學(xué)描述的物體）。譬如說，原來具有波動(dòng)性的粒子，不再表現(xiàn)出波動(dòng)性;原來量子糾纏的一群粒子失去糾纏性，等等。這樣一個(gè)從量子物體退化為經(jīng)典物體的過程，物理學(xué)上叫退相干。其實(shí)，退相干是一種非常普遍的現(xiàn)象。因?yàn)槲覀冎溃暧^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(duì)了，就是因?yàn)橥讼喔伞?p>

米涅夫（右）和他的導(dǎo)師

多年以來，物理學(xué)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(tài)之間的跳躍，跳躍時(shí)吸收或者發(fā)射一個(gè)光子），但要得出準(zhǔn)確的結(jié)果，難度極大。你得要知道幾乎所有發(fā)生的事情。例如，你需要以非常短的時(shí)間間隔不斷檢查光子是否已發(fā)射。你不能錯(cuò)過一個(gè)光子。每次檢查時(shí)，都必須考慮原子在發(fā)射光子時(shí)所產(chǎn)生的反沖力對(duì)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(gè)難度有多大，外行幾乎難以想象。所以迄今為止，物理學(xué)家在這方面的努力一直受挫。

量子躍遷不再神秘

現(xiàn)在，這種狀況已經(jīng)改變。美國(guó)物理學(xué)家米涅夫領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)用超導(dǎo)體構(gòu)建一個(gè)人造原子，這個(gè)人造原子具有真實(shí)原子的基本特征（比如說它的能量狀態(tài)也是不連續(xù)的，像梯級(jí)）。然后，他們用微波激發(fā)這個(gè)“原子”，讓它從能量低的基態(tài)躍遷到能量高的激發(fā)態(tài)，而后，人造原子將發(fā)射一個(gè)光子，從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)。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(shù)坍縮的過程：當(dāng)觀測(cè)一個(gè)處于激發(fā)態(tài)的粒子時(shí)，粒子的波函數(shù)坍縮，導(dǎo)致它回到基態(tài)。因此，量子躍遷也被認(rèn)為是一種零時(shí)間、沒任何預(yù)兆、隨機(jī)發(fā)生的。

科學(xué)家拍攝到的量子躍遷過程是漸進(jìn)的，而非零時(shí)間的突變。

但米涅夫等人觀察到的量子躍遷要比這復(fù)雜得多。他們所看到的量子躍遷，隨著時(shí)間，是連續(xù)漸進(jìn)地發(fā)生的：處于較高能量狀態(tài)的原子，在持續(xù)觀測(cè)的作用下（因?yàn)橛^測(cè)一個(gè)物體，需要通過與它相互作用才能實(shí)現(xiàn)，譬如向它發(fā)射光子，然后接收發(fā)射回來的光子），不斷失去穩(wěn)定性，觀測(cè)所施加的影響不斷累積，最后才發(fā)生躍遷。打個(gè)比方，這就好比一個(gè)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(gè)雪人在陽(yáng)光下融化一樣，緩慢發(fā)生。

此外，米涅夫等人看到，量子躍遷發(fā)生的時(shí)刻雖然是隨機(jī)的，但在即將發(fā)生之前有一種預(yù)兆：粒子的擺動(dòng)會(huì)變得異常平靜，就好像火山爆發(fā)前會(huì)有一段異常平靜的時(shí)間。因有這個(gè)預(yù)兆，他們還可以阻止即將發(fā)生的量子躍遷，讓系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。這樣，原先被哥本哈根派認(rèn)為與生俱來的量子隨機(jī)性，現(xiàn)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(gè)愛發(fā)脾氣的人，雖然他何時(shí)發(fā)脾氣是隨機(jī)的、無法預(yù)料的，但因?yàn)樗l(fā)脾氣之前總有預(yù)兆，我們一旦觀察到預(yù)兆，及時(shí)安撫，就可以讓他把氣消掉。

“波函數(shù)坍縮”——一個(gè)多余的假設(shè)

如果沿用哥本哈根派“波函數(shù)坍縮”的概念，那么米涅夫等人的工作證實(shí)了，“波函數(shù)坍縮”是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的物理過程，而前面提到，哥本哈根派在這個(gè)問題上是支吾其詞的，因?yàn)樗麄儼选安ê瘮?shù)坍縮”搞得太神秘了，連自己都不相信是否實(shí)有其事。

哥本哈根派認(rèn)為，在觀測(cè)過程中，“波函數(shù)坍縮”是不可避免的，這又賦予了“觀測(cè)”很大的神秘性，似乎“波函數(shù)坍縮”完全取決于觀測(cè)。這一觀點(diǎn)的一個(gè)極端例子是薛定諤的貓實(shí)驗(yàn)。在那個(gè)實(shí)驗(yàn)中，貓的生死都完全取決于你是否打開箱子去觀測(cè)。

但米涅夫等人給“觀測(cè)”祛了魅，告訴我們，對(duì)量子物體的測(cè)量跟對(duì)宏觀物體的測(cè)量沒有本質(zhì)的區(qū)別，都不過是測(cè)量工具對(duì)測(cè)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(cè)量工具的相互作用，就可以將干擾降到最低，從而在進(jìn)行測(cè)量時(shí)避免“波函數(shù)坍縮”。而這也意味著，我們可以對(duì)一個(gè)量子系統(tǒng)進(jìn)行理想的測(cè)量，即在測(cè)量時(shí)不破壞它的量子態(tài)。這對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究具有重大意義。

與此同時(shí)，這些成果給了我們很多值得深思的地方，其中一個(gè)重要的含義是，“波函數(shù)坍縮”的概念完全是一個(gè)多余的假設(shè)。就量子躍遷而言，只需要考慮量子與測(cè)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(shù)坍縮”。

在熱學(xué)上，也曾經(jīng)有過“一個(gè)假設(shè)最后被認(rèn)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(guī)則運(yùn)動(dòng)，這叫“布朗運(yùn)動(dòng)”。在分子學(xué)說提出之前，人們杜撰出一個(gè)小精靈，說是它在推動(dòng)著花粉運(yùn)動(dòng)。等到分子學(xué)說提出來后，大家才知道，花粉是因?yàn)槭艿江h(huán)境中液體分子的碰撞才不停運(yùn)動(dòng)的。于是，假設(shè)一個(gè)小精靈就沒必要了。

能否給量子世界徹底祛魅？

那么，現(xiàn)在該如何理解測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)性呢？譬如測(cè)量同一個(gè)量子物體，這一刻測(cè)得它在這里，下一刻測(cè)量，它又不在這里了，這怎么解釋？根據(jù)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(cè)量結(jié)果只能隨它自己高興，我們也拿它沒辦法，但多次測(cè)量得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，還是會(huì)符合我們的預(yù)期的。

現(xiàn)在，我們可以對(duì)測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)性給出更合理的解釋。假設(shè)你想在顯微鏡下測(cè)量一個(gè)粒子的位置。要知道它的位置信息，你需要向它發(fā)射光子，然后接收發(fā)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?，光子打到粒子上之后，可能就把粒子撞到遠(yuǎn)處去了。假如你還是以原來的聚焦條件進(jìn)行第二次觀測(cè)，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(chǎn)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(shù)坍縮”的概念，量子理論的多世界解釋甚至也變得多余。因?yàn)檫@個(gè)同樣神秘的量子理論，本來就是作為“波函數(shù)坍縮”的替代理論出現(xiàn)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(dāng)然，量子世界除了“波函數(shù)坍縮”，還籠罩著其他很多神秘，譬如疊加態(tài)、量子糾纏等。這項(xiàng)研究能否徹底給量子世界祛魅？我們能否在此基礎(chǔ)上發(fā)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(xué)的最大“心病”已經(jīng)有了結(jié)果。

最新的實(shí)驗(yàn)似乎證明“多宇宙解釋”是多余的假設(shè)。