量子力學(xué)誕生已近一個(gè)世紀(jì)。在最近的幾十年里，它給物理學(xué)、工業(yè)和人類生活帶來(lái)了翻天覆地的變化，我們賴以生活的半導(dǎo)體工業(yè)、激光、核磁共振都來(lái)源于此。然而，雖然量子力學(xué)無(wú)比實(shí)用，科學(xué)家對(duì)量子力學(xué)基本概念的理解卻一直停滯不前。舉個(gè)例子：量子力學(xué)波函數(shù)到底是真實(shí)的存在，抑或僅僅是科學(xué)家用來(lái)計(jì)算的工具？箱子里既活又死的薛定諤貓，真的存在嗎？
帕特魯斯基講座（Patrusky Lecture）是美國(guó)科學(xué)寫作促進(jìn)會(huì)自2019年開始舉辦的講座，旨在促進(jìn)科學(xué)家與科學(xué)寫作者之間的交流。今年的演講者是著名科學(xué)家、1979年諾獎(jiǎng)得主、物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的奠基者之一史蒂文?溫伯格（Steven Weinberg）。溫伯格教授準(zhǔn)備相當(dāng)充分，不過僅僅在開頭提了一下科學(xué)寫作，就轉(zhuǎn)入了他近年來(lái)對(duì)量子力學(xué)基本概念的新的思考。他曾經(jīng)同大多數(shù)物理學(xué)家一樣，認(rèn)為量子力學(xué)只要實(shí)用就夠了，無(wú)需深入探討其基本概念和含義，但最近，他對(duì)量子力學(xué)的各種詮釋越來(lái)越不滿意，呼吁科學(xué)家發(fā)明新的理論來(lái)解釋一些存在已久的問題，將量子力學(xué)外推到更廣的范圍內(nèi)。
以下為溫伯格的演講內(nèi)容：
科學(xué)新聞寫作有多難，想必不用我來(lái)向大家介紹了。醫(yī)藥和技術(shù)方面的新聞可能還好，畢竟這是跟大多數(shù)人的日常生活密切相關(guān)的題材，但和物理相關(guān)的寫作就格外困難了，因?yàn)槲锢韺W(xué)和數(shù)學(xué)所用的語(yǔ)言不在我們?nèi)粘ＵZ(yǔ)言的范疇之內(nèi)。而在物理學(xué)的范圍內(nèi)，最難上加難的題材又是量子力學(xué)，它是如此反直覺（counter-intuitive），以至于只能用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言才能準(zhǔn)確地描述它。其實(shí)說(shuō)這些都是為了博取你們的同情（眾笑），因?yàn)槲医裉焖v的，正是量子力學(xué)中詭異、甚至反直覺的要素，它們因何而產(chǎn)生，以及為了解釋這些性質(zhì)而誕生的兩種思想流派，同時(shí)也將解釋為什么我和其他一些理論物理學(xué)家（當(dāng)然不是全部）對(duì)這些理論感到不滿意，以及接下來(lái)科學(xué)家應(yīng)該怎么做??或許我們能發(fā)明一種新的理論，將量子力學(xué)外推到更廣的范圍內(nèi)。
量子力學(xué)的奇異性始于19世紀(jì)末20世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家正努力研究世界是由什么構(gòu)成的。他們?cè)菊J(rèn)為有兩類不同的物質(zhì)：像原子，以及原子內(nèi)部的電子、原子核等等都是粒子（particle），而彌散在空間里的則被稱為場(chǎng)（field），比如電磁場(chǎng)、引力場(chǎng)等等。到19世紀(jì)末的時(shí)候，科學(xué)家已經(jīng)知道光的本質(zhì)就是一種可以獨(dú)立存在、自我維持的電磁場(chǎng)。然而，1905年，愛因斯坦卻發(fā)現(xiàn)，通過加熱物體而產(chǎn)生的光竟然可以被分成一個(gè)一個(gè)無(wú)質(zhì)量的粒子，這些粒子后來(lái)被稱為光子（photon）。另一方面，20世紀(jì)20年代，路易?德布羅意（Louis de Broglie）、埃爾溫?薛定諤（Erwin Schr?dinger）等人發(fā)現(xiàn)，電子??這種一直以來(lái)都被當(dāng)做粒子的物質(zhì)，竟然也擁有波的性質(zhì)。為了理解原子的能級(jí)性質(zhì)，我們不能僅僅把電子看做遵循牛頓定律繞著原子核轉(zhuǎn)的粒子了，而要把它看成波??彌散在原子核周圍的波，就像管風(fēng)琴音管里的聲波一樣。
這些波還擁有不同的態(tài)（state），不同的穩(wěn)定態(tài)代表著原子的不同能級(jí)，就好像管風(fēng)琴產(chǎn)生的不同的音調(diào)。不僅如此，這種“電子波”跟像水波這樣的物質(zhì)波又不一樣。當(dāng)海水的水波撞上礁石時(shí)，它會(huì)向四面八方散開，但電子撞上原子核之后，它仍舊只是一個(gè)電子，要么向這邊，要么向那邊，但不會(huì)分裂并同時(shí)向四面八方散開。馬克斯?玻恩（Max Born）通過計(jì)算表明，電子的波是概率波，代表了電子出現(xiàn)的概率。電子可以去往任何位置，但它最可能出現(xiàn)的位置是波密度最大的位置。
于是，奇怪的事情來(lái)了：在量子力學(xué)領(lǐng)域，物理學(xué)家已經(jīng)習(xí)慣用“概率”來(lái)描述現(xiàn)象，但概率難道不是體現(xiàn)了我們對(duì)研究對(duì)象了解得還不完全嗎？在牛頓的理論中，大自然完全是決定論的，也就是說(shuō)，如果你知道了太陽(yáng)系所有物體的位置、速度和相互作用，理論上你可以算出任何時(shí)候它們各自在哪里。只有當(dāng)你沒有完全了解某些事情的時(shí)候，才會(huì)使用“概率”這一概念，就像你往地上扔一個(gè)骰子，你不知道它會(huì)有怎樣的運(yùn)動(dòng)軌跡，也不知道它最終會(huì)是哪一面。但概率從未成為大自然的基本定律的一部分，而量子力學(xué)卻大量地使用概率來(lái)描述現(xiàn)象，這就是一些聲名卓著的科學(xué)家強(qiáng)烈反對(duì)量子力學(xué)的原因。
1926年，玻恩提出電子波函數(shù)的本質(zhì)是概率后，愛因斯坦寫信給他，信中說(shuō)：“量子力學(xué)是很不錯(cuò)，但我內(nèi)心的聲音告訴我，它不是事物真正的本質(zhì)。這一理論能得到很好的結(jié)果，但它無(wú)法告訴我們上帝的秘密。不管怎么樣，我堅(jiān)信，上帝不擲骰子�！敝钡�1964年，物理學(xué)家理查德?費(fèi)曼（Richard Feynman）還在康奈爾大學(xué)的一個(gè)講座上說(shuō)道：“我想我可以有把握地說(shuō)，沒有人真正理解量子力學(xué)�！绷孔恿W(xué)的這一步邁得太大，以至于物理學(xué)家把量子力學(xué)之前的所有物理學(xué)內(nèi)容都統(tǒng)稱為與“量子物理學(xué)”相對(duì)的“經(jīng)典物理學(xué)”。
不過，在大多數(shù)情況下，量子力學(xué)的奇異性本身并不會(huì)帶來(lái)什么問題。物理學(xué)家已經(jīng)學(xué)會(huì)使用量子力學(xué)得出越來(lái)越精確，越來(lái)越成功的計(jì)算結(jié)果。勞倫斯?克勞斯（Lawrence Krauss）就將關(guān)于氫原子的一個(gè)量子力學(xué)計(jì)算結(jié)果稱為所有科學(xué)領(lǐng)域中被計(jì)算得最精確的一個(gè)量，他并沒有夸張。量子力學(xué)成為了我們理解原子、原子核、導(dǎo)電性、磁性、電磁輻射、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、白矮星、中子星、核力以及基本粒子的基礎(chǔ)，哪怕是如今理論物理領(lǐng)域最大膽的設(shè)想??弦理論，也是基于100年前就已經(jīng)成型的最基本的量子力學(xué)而建立。因此，一些物理學(xué)家，包括我自己之前都覺得，像愛因斯坦和薛定諤對(duì)量子力學(xué)的反對(duì)太夸張了。
牛頓的理論在他提出的年代也曾經(jīng)讓很多人不舒服，在牛頓的理論中，兩個(gè)相隔遙遠(yuǎn)距離的物體可以發(fā)生相互作用，哪怕它們之間不存在有形的拉力或推力，這似乎給本該實(shí)實(shí)在在的科學(xué)帶來(lái)了一些神秘的超自然因素，因此在當(dāng)時(shí)招致了笛卡爾追隨者的反對(duì)。此外，牛頓的萬(wàn)有引力定律也不能由某些基本的哲學(xué)定律導(dǎo)出，這也是萊布尼茨及其追隨者的反對(duì)的原因之一。牛頓定律沒能滿足很多前人對(duì)宇宙定律的期望，如托勒密（我們已經(jīng)拋棄了托勒密的地心說(shuō)），和開普勒。開普勒在年輕時(shí)曾經(jīng)認(rèn)為，行星的大小和軌道都是能夠通過一套最基本的原理導(dǎo)出的，而在牛頓的引力理論中這些只能通過觀測(cè)來(lái)得到，這很令人失望。然而，隨著時(shí)間推移，牛頓引力理論逐漸顯示出優(yōu)勢(shì)，最終成為壓倒性的最成功的理論，它能解釋大到行星，小到蘋果等物體的運(yùn)動(dòng)，包括月球、彗星，甚至地球的形狀也能解釋。到18世紀(jì)末，幾乎所有人都同意牛頓理論是正確的，至少是個(gè)極為成功的近似。因此，強(qiáng)求一個(gè)新誕生的理論遵循某種已有的哲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，似乎并無(wú)必要。我們需要讓其自然發(fā)展，看看我們能從中得到什么，或許我們需要反過來(lái)改變我們的哲學(xué)觀點(diǎn)。
那量子力學(xué)有什么問題呢？在量子力學(xué)中，我們用波函數(shù)（wave function）來(lái)描述粒子。波函數(shù)在本質(zhì)上就是一系列數(shù)字，每個(gè)數(shù)字都代表了系統(tǒng)可能出現(xiàn)的一種狀態(tài)。如果系統(tǒng)只包含一個(gè)粒子，那么波函數(shù)中的每個(gè)數(shù)字就對(duì)應(yīng)著這個(gè)粒子可能出現(xiàn)的所有位置，數(shù)字的大小代表著它在這個(gè)位置出現(xiàn)的概率。那這有什么問題呢？愛因斯坦和薛定諤晚年完全摒棄量子力學(xué)當(dāng)然是不對(duì)的，是悲劇性的錯(cuò)誤，這讓他們?cè)诹孔恿W(xué)高速發(fā)展的大潮中掉隊(duì)了。從前我很滿意量子力學(xué)的方法和成就，也沒太在意關(guān)于其基本概念的爭(zhēng)論，但現(xiàn)在我不那么確定了（now I’m not so sure）。在教過量子力學(xué)這門課，最近又寫了本關(guān)于量子力學(xué)的書以后，我發(fā)現(xiàn)我對(duì)量子力學(xué)不像從前那么滿意了，也不再像以前那樣無(wú)視對(duì)于它的批評(píng)，尤其是在我看到很多對(duì)量子力學(xué)很滿意的科學(xué)家，他們自己對(duì)量子力學(xué)含義的理解都不一致的時(shí)候。
問題的焦點(diǎn)就在于“測(cè)量”這一行為。舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，對(duì)電子自旋的測(cè)量：自旋又被稱為角動(dòng)量，它是用來(lái)衡量某種物體繞著一個(gè)軸“旋轉(zhuǎn)”速度的物理量。所有理論都表明，實(shí)驗(yàn)也都證實(shí)了，當(dāng)你測(cè)量一個(gè)電子自旋的時(shí)候，它只能取兩個(gè)值中的一個(gè)，+h/4π 或 ?h/4π（h為普朗克常數(shù)），這可以理解為電子繞著軸要么順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，要么逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。但只有當(dāng)你測(cè)量的時(shí)候，電子才會(huì)取這兩個(gè)值之一，當(dāng)你沒有測(cè)量的時(shí)候，電子的自旋狀態(tài)處于這兩種態(tài)的疊加態(tài)，就好像音樂中兩個(gè)音疊加在一起組成和聲一樣，但當(dāng)你一測(cè)量，你就逼迫著電子變成兩個(gè)自旋態(tài)中的一個(gè)，要么為正，要么為負(fù)。
電子自旋的一種形象化的描述。圖片來(lái)源：pinterest.com
如何測(cè)量自旋？把電子放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向與你想測(cè)量電子自旋的方向一致就可以了。自旋可以用波函數(shù)來(lái)描述，如果只考慮波函數(shù)中關(guān)于自旋的一部分，它就只包含兩個(gè)數(shù)，一個(gè)代表正自旋，一個(gè)代表負(fù)自旋。量子力學(xué)中有一條規(guī)則叫玻恩規(guī)則，以剛剛提到的馬克斯?玻恩命名，它告訴我們?nèi)绾卫貌ê瘮?shù)來(lái)計(jì)算電子自旋為正或?yàn)樨?fù)的概率??這概率就是波函數(shù)的該分量的平方。這有什么不好的呢？問題并不在于概率，量子力學(xué)發(fā)展了這么多年，我們完全可以容忍概率的存在了。問題在于，電子自旋隨著時(shí)間的變化遵循薛定諤方程（更準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，是含時(shí)的薛定諤方程），但薛定諤方程本身并不包含概率，它同牛頓運(yùn)動(dòng)方程一樣，完全是決定論的。但如果所有物體和系統(tǒng)的波函數(shù)，所有物理規(guī)則都是決定論的，概率又是從哪里冒出來(lái)的呢？這就是量子力學(xué)的問題之所在。
對(duì)此，一個(gè)常見的解釋叫做“退相干”（decoherence）。對(duì)電子做任何測(cè)量都需要外界的測(cè)量?jī)x器與電子發(fā)生相互作用，而外界充滿了不斷的擾動(dòng)與漲落，我們對(duì)這些漲落還未到了如指掌的程度。舉個(gè)例子，如果你想看見某個(gè)東西，你就需要讓一束光子照到它身上，可是這一過程至少在實(shí)際操作中是復(fù)雜得不可預(yù)測(cè)的（甚至很可能在原則上也是不可預(yù)測(cè)的），就像一場(chǎng)大雨中包含千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)雨滴一樣。因此，測(cè)量入侵了系統(tǒng)，把概率變成實(shí)實(shí)在在的物理現(xiàn)象。同樣以電子自旋作為例子，有的時(shí)候在音樂廳會(huì)出現(xiàn)噪聲，在兩個(gè)音符同時(shí)發(fā)出聲音的時(shí)候讓我們只聽到一個(gè)音??代表著正自旋的那個(gè)，或是代表著負(fù)自旋的那個(gè)，而這在一定程度上也是不可預(yù)測(cè)的。但這種解釋回避了問題的實(shí)質(zhì)：不管怎樣，量子力學(xué)與薛定諤方程統(tǒng)治的不僅僅是電子，也包括儀器和物理學(xué)家本身，它們都受決定論物理學(xué)定律的統(tǒng)領(lǐng)，所以，通過想象“外界”和“內(nèi)部”人為地把它們區(qū)分開來(lái)以解釋概率的出現(xiàn)是蒼白無(wú)力的。尼爾斯?玻爾（Niels Bohr）也提出了一個(gè)解釋，也就是著名的量子力學(xué)的哥本哈根詮釋（Copenhagen interpretation），他認(rèn)為，量子力學(xué)不描述測(cè)量，它不描述像物理儀器或物理學(xué)家這樣的宏觀物體，只描述像原子這樣的微觀物體。大自然這么大這么復(fù)雜，你在用宏觀儀器來(lái)測(cè)量量子系統(tǒng)時(shí)，就引入了概率。我認(rèn)為如今大多數(shù)，甚至是所有的物理學(xué)家都不能接受這個(gè)解釋，因?yàn)樗僭O(shè)宏觀世界和微觀世界之間存在一條界限，而我們卻絲毫不知道這條界限存在于何處，怎么來(lái)劃分。我們甚至懷疑這條界限或許根本就不存在。當(dāng)時(shí)，我剛好正在位于哥本哈根的尼爾斯?玻爾研究所念研究生，不過當(dāng)時(shí)他德高望重，我只是個(gè)小人物，所以我沒找到機(jī)會(huì)問他這個(gè)問題（眾笑）。
為了解釋這個(gè)問題，如今的物理學(xué)界分成了兩個(gè)思想流派，或者說(shuō)產(chǎn)生了兩種方法，一種被稱為“工具主義者”（instrumentalist），一種被稱為“實(shí)在論者”（realist），我覺得兩種都不那么令人滿意。工具主義者方法不將波函數(shù)看做真實(shí)的存在，只把它們當(dāng)成預(yù)測(cè)概率的一種工具。我不喜歡這種方法是基于以下幾個(gè)原因：首先，“打破砂鍋問到底”的精神是科學(xué)探索的悠久傳統(tǒng)，但工具主義者卻放棄了探索“波函數(shù)到底是什么”這一問題，從而背棄了這一傳統(tǒng)；還有更深一層的原因就是，既然這一方法放棄詢問波函數(shù)到底是什么，只管計(jì)算，那么，告訴我們?nèi)绾斡?jì)算波函數(shù)的定律就必須被當(dāng)做是宇宙的基本定律，但是從波函數(shù)到最終結(jié)果的過程需要測(cè)量，只有在人做出測(cè)量時(shí)這些定律才能告訴我們結(jié)果，這就意味著人在非�；镜膶用嫔蠀⑴c了大自然的基本定律。對(duì)我來(lái)說(shuō)，這又相當(dāng)于放棄了另一個(gè)關(guān)于科學(xué)的根本觀念：既然人參與了最根本的自然定律，我們就無(wú)法通過基本的、與人無(wú)關(guān)的定律，以演繹的方式來(lái)理解人，以及人與自然的關(guān)系了。尤金?維格納（Eugene Wigner）能接受這種形式的量子力學(xué)，他說(shuō)：“想要建立一套與意識(shí)無(wú)關(guān)的量子力學(xué)定律是不可能的�！钡绻阍诖笞匀坏幕径衫餇砍兜搅艘庾R(shí)，那在我看來(lái)你就相當(dāng)于放棄了用大自然的基本定律來(lái)解釋意識(shí)。
有些支持工具主義者觀點(diǎn)的著名物理學(xué)家會(huì)這樣辯解：概率并不非得要在人類做出決定的時(shí)候才產(chǎn)生，事情會(huì)發(fā)展成什么樣的結(jié)果，其概率一直都在那里，與人的測(cè)量無(wú)關(guān)。但我覺得這種觀點(diǎn)完全站不住腳，因?yàn)槲艺J(rèn)為概率本來(lái)只有在人決定測(cè)量什么量的時(shí)候才產(chǎn)生，就拿海森堡的不確定性原理做例子：你可以通過波函數(shù)推知發(fā)現(xiàn)一個(gè)粒子在某一個(gè)特定位置的概率，也可以推知發(fā)現(xiàn)它具有某一個(gè)特定動(dòng)量值的概率，但你無(wú)法討論它在某一個(gè)特定位置，并且具有某一個(gè)特定動(dòng)量值的概率，因?yàn)闆]有哪個(gè)粒子可以處于位置和動(dòng)量都完全確定的狀態(tài)。我們也可以舉自旋的例子：我們可以討論一個(gè)粒子沿向北的軸自旋為正的概率，也可以討論它沿向東的軸自旋為正的概率，但我們無(wú)法討論它同時(shí)沿兩個(gè)軸都有某一特定自旋的態(tài)，因?yàn)檫@個(gè)態(tài)根本就不存在，在一個(gè)時(shí)候，自旋只能存在于一個(gè)方向，就是你測(cè)量的那個(gè)方向。
第二種解決概率問題的方法被稱為“實(shí)在論者”（realist）方法，意味著相信波函數(shù)就是一種真實(shí)的存在。他們認(rèn)為波函數(shù)的確描述了自然，是自然的一部分，物體隨時(shí)間的狀態(tài)變化就是受著（決定論的）含時(shí)薛定諤方程的指導(dǎo)，其他就沒別的了。那實(shí)在論者是如何看待測(cè)量的呢？實(shí)在論者會(huì)說(shuō)，在我們測(cè)量電子的自旋之前，它的波函數(shù)是兩種自旋方向的疊加，在測(cè)量之后仍然是兩種可能性的疊加，在其中一個(gè)世界里，觀察者發(fā)現(xiàn)它的自旋為正，并把結(jié)果發(fā)表到了《物理評(píng)論》（Physical Review）上，所有人都認(rèn)為它的自旋為正，而在另一個(gè)世界里，觀察者觀察到它的自旋為負(fù)，所有人都認(rèn)為它的自旋為負(fù)。因此，盡管這波函數(shù)還是兩種狀態(tài)的疊加，但世界的歷史已經(jīng)分岔成兩支，處在一支中的人們不知道另一支的存在。這種“多歷史”（multi-history）理論，又稱多世界理論，于1953年首次由普林斯頓大學(xué)的博士生休?埃弗里特（Hugh Everett III，點(diǎn)擊查看埃弗里特的故事）提出，它的新穎觀念被應(yīng)用到各種科幻作品中，也為多宇宙（Multiverse）理論提供了可能的支持。如果你身處多宇宙理論的世界里，問“事情為什么會(huì)是這樣？”在不同宇宙（不同歷史線）里的你可能有不同的回答，甚至在有的分支里你根本不可能存在，或者不會(huì)問出這個(gè)問題。
呃，這個(gè)想法倒是挺不錯(cuò)的（眾笑），不過，我覺得它也不那么令人滿意。第一，在多世界理論中，宇宙不僅在某人測(cè)量電子自旋時(shí)分成兩條歷史線，它一直會(huì)不斷地分出無(wú)數(shù)的分支。這對(duì)我來(lái)說(shuō)很難接受，也許只是我這么認(rèn)為。不管怎么樣，我更加傾向于認(rèn)為宇宙只有一個(gè)歷史。另一個(gè)問題在于，實(shí)在論的多宇宙觀點(diǎn)也不足以解釋概率的來(lái)源。比如，一個(gè)波函數(shù)可以分裂出1000個(gè)宇宙，每個(gè)宇宙中產(chǎn)生1000個(gè)電子，我們測(cè)量每個(gè)電子的自旋。對(duì)于這個(gè)波函數(shù)我可以說(shuō)，自旋為正的概率是自旋為正的數(shù)量除以1000，負(fù)自旋也同樣如此。假設(shè)有500個(gè)電子自旋為正，我們可以認(rèn)為該波函數(shù)的電子自旋為正的概率為50%。
但是我們并不能以此證明在每條歷史線里波函數(shù)的概率都遵從這個(gè)平均的結(jié)果，自旋為正的概率是50%。完全存在別的可能性，比如這1000個(gè)電子其中500個(gè)確定地變成正自旋，另500個(gè)確定地變成負(fù)自旋。當(dāng)然，你可以認(rèn)為它是自然規(guī)律的一部分，假設(shè)它是對(duì)的，但這又回過頭來(lái)遇到工具主義方法的問題，讓人類介入到自然規(guī)律之中了。
將波函數(shù)看做現(xiàn)實(shí)帶來(lái)了另一個(gè)問題，那就是量子糾纏。直覺上，我們思考現(xiàn)實(shí)的方式都是局域性的。也就是說(shuō)，我描述我的實(shí)驗(yàn)室發(fā)生了什么，你描述你的實(shí)驗(yàn)室里發(fā)生了什么，但我們不同時(shí)討論兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室各自發(fā)生了什么。但是在量子力學(xué)中，可能存在這樣一對(duì)電子，它們的總自旋為零，其波函數(shù)包含兩項(xiàng)，其中一項(xiàng)電子A自旋為正，電子B自旋為負(fù)；另一項(xiàng)是電子A自旋為負(fù)，電子B自旋為正。你不能單獨(dú)討論其中的一個(gè)電子，要想描述這個(gè)系統(tǒng)只能同時(shí)描述兩個(gè)電子。哪怕當(dāng)這兩個(gè)電子之間的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)到無(wú)窮大，這種情況仍然可以繼續(xù)。這被稱為“量子糾纏”，兩個(gè)電子永久地糾纏在一起，即使它們沒有明顯的物理聯(lián)系。愛因斯坦在1935年與波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）發(fā)表的文章中就對(duì)量子力學(xué)的這一現(xiàn)象表示了震驚。但糾纏是真實(shí)存在的。實(shí)驗(yàn)室中就可以制備糾纏態(tài)，而且能以量子力學(xué)描述的方式運(yùn)作。如此非局域的事物竟然是真的，真讓人費(fèi)解。那我們?cè)撛趺崔k呢？
量子力學(xué)在計(jì)算方面是非常實(shí)用的。在如何運(yùn)用量子力學(xué)的問題上并不存在什么爭(zhēng)論，物理學(xué)家都用同樣的方式使用量子力學(xué)，而且計(jì)算的確有效。也許我上面提到的這些問題都只是語(yǔ)言的問題，跟量子力學(xué)本身無(wú)關(guān)。一些現(xiàn)代哲學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為，最“哲學(xué)”的問題都是跟我們所運(yùn)用的語(yǔ)言相關(guān)的問題。導(dǎo)師常用這種觀點(diǎn)來(lái)指導(dǎo)抱怨量子力學(xué)的研究生：閉上嘴，只管算（“Shut up and calculate”）。
另一方面，量子力學(xué)所存在的問題可能給我們指示了一個(gè)新的方向：把量子力學(xué)推廣到更大的范圍中去。例如，量子力學(xué)也許只是個(gè)近似，在微觀世界（比如原子）的范疇中這個(gè)近似很好，但對(duì)于宏觀事物就很難說(shuō)了。因?yàn)樵诤暧^世界，物體總是與環(huán)境發(fā)生作用，也就總有干擾。但是，如果你能隔離出來(lái)一個(gè)不受干擾的宏觀系統(tǒng)，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)它并不服從量子力學(xué)的規(guī)律。事實(shí)上，當(dāng)你進(jìn)行測(cè)量時(shí)，即使沒有外部環(huán)境，只有你和電子，電子的波函數(shù)也會(huì)坍縮到正或負(fù)的自旋。或許所有的多重歷史都會(huì)坍縮到一個(gè)平均的單一歷史，這樣我們就不必再擔(dān)心那么多。
有一個(gè)想法就是試圖建立這樣一個(gè)理論，讓某些更為基本的原則來(lái)導(dǎo)出玻恩法則，而這些原則在本質(zhì)上是概率的，或者至少一部分是概率的。自然規(guī)律本質(zhì)上就是概率的，這在宏觀系統(tǒng)中很難看到，因?yàn)楹暧^系統(tǒng)總是受到外界干擾。但這就是事實(shí)，這就是為什么我們總繞不開概率的原因。構(gòu)造這樣一個(gè)“廣義量子力學(xué)”理論非常困難，我們無(wú)法從實(shí)驗(yàn)得到任何幫助，因?yàn)槟壳盀橹顾袑?shí)驗(yàn)都符合量子力學(xué)。但讓人驚訝的是，我們從一些關(guān)于概率以及概率如何演變的一般原則中得到了一些幫助，這些基本原則幫助我們限制了可能存在的理論的種類。顯然，概率必須是正數(shù)，而且概率的總和應(yīng)該是100％。
而且我在前面提到的糾纏系統(tǒng)也對(duì)這類理論提出了要求，它要求無(wú)論你在糾纏系統(tǒng)的一端做什么，都不能瞬時(shí)把信號(hào)傳送到遙遠(yuǎn)的另一端，因?yàn)楠M義相對(duì)論不允許物質(zhì)和信息的速度超過光速。這些條件可是很難滿足的，而當(dāng)你試圖滿足所有的條件時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)概率隨時(shí)間的變化必須用林德布拉德方程（Lindblad equation）描述，這個(gè)方程最初提出是為了處理環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，但實(shí)際上，這些條件的限制足夠多，因此當(dāng)你推廣量子力學(xué)，你會(huì)再次遇到林德布拉德方程。林德布拉德方程可以看作是普通量子力學(xué)中薛定諤方程的推廣，但它包含了一些新元素。這些新元素可能很小，這就是為什么現(xiàn)今條件下量子力學(xué)仍然可以很好地描述自然，但它在根本上已經(jīng)與量子力學(xué)分道揚(yáng)鑣。
這在理論物理學(xué)界之外幾乎不為人所知。1986年，意大利的里雅斯特大學(xué)（University of Trieste，“的里雅斯特”是個(gè)地名）的物理學(xué)家吉拉爾迪（Ghirardi）、里米尼（Rimini）和韋伯（Weber）發(fā)表了一篇有趣的物理學(xué)論文，試圖在林德布拉德方程的基礎(chǔ)上構(gòu)造量子力學(xué)的推廣理論，在那之后，大量類似的文獻(xiàn)有如井噴。
我自己沒有嘗試構(gòu)建這樣的理論，但在嘗試探索如何利用原子鐘的極高精確度來(lái)為林德布拉德方程中（不同于普通量子力學(xué)薛定諤方程的）新的項(xiàng)確定下界，如果它的確與自然有聯(lián)系的話。原子鐘里最關(guān)鍵的概念是原子的固有頻率，也就是原子兩個(gè)態(tài)之間的能量差除以普朗克常數(shù)。原子的頻率雖然不是基本常數(shù)，但也是大自然的常數(shù)之一。無(wú)論外界的溫度是多少，無(wú)論在世界的什么地方，它都非�？煽�，因此可以作為頻率的標(biāo)準(zhǔn)。量子力學(xué)的計(jì)算顯示，使用原子鐘能夠以極高的精度將可見光、微波等電磁波微調(diào)到原子的固有頻率，精度在有些情況下能達(dá)到10億億分之一，而且這已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了。
如果林德布拉德方程與普通量子力學(xué)的差異不小于原子鐘里原子的能量差的十億億分之一，且林德布拉德方程比普通量子力學(xué)更準(zhǔn)確地描述了自然現(xiàn)實(shí)，那么原子鐘的精度就應(yīng)當(dāng)完全喪失，原子鐘就不會(huì)按照應(yīng)有的方式運(yùn)作。既然現(xiàn)在原子鐘能成功運(yùn)作，就意味著林德布拉德方程中的新項(xiàng)如果用能量表達(dá)，這個(gè)能量就要小于不同原子態(tài)之間能量差的十億億分之一。
這么小的能量差很重要嗎？我不知道。這些理論僅僅停留在猜測(cè)階段，而且還很模糊，對(duì)于這個(gè)能量究竟應(yīng)該是多少，我們并沒有精確的預(yù)期。順便提一句，“十億億分之一”看起來(lái)很小，但這跟宏觀物體（如激光筆）量子態(tài)之間的能量間距相比，已經(jīng)大了許多數(shù)量級(jí)了。所以，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒有排除類似林德布拉德方程那樣能夠使宏觀系統(tǒng)以非決定性的方式運(yùn)作的理論。但到目前為止，我們還沒能提出這樣完整版的理論，我也不知道今后是否會(huì)有。我關(guān)心的是應(yīng)該尋找什么樣的能量，以及更普遍的問題??量子力學(xué)的未來(lái)。引用《第十二夜》中維奧拉的話：這糾紛要讓時(shí)間來(lái)理清。謝謝大家。
聽譯 丁家琦 韓冬
編輯 丁家琦
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