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量子|量子世界充满了种种神秘，但最大的神秘已经被我们解开？

量子力学粒子光子量子波函数

有人说 ， 我们这个时代是祛魅的时代 。 过去 ， 人们普遍迷信周围存在着魑魅魍魉、山精水怪 ， 害怕它们会时不时出来作祟 。 如今 ， 这些迷信都被科学扫荡干净 。 “祛魅”就是使大自然变得不再神秘的意思 。
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可是 ， 说来也够怪的 ， 正当我们对身边的大自然（即宏观世界）祛魅之时 ， 在由原子和基本粒子组成的微观世界里 ， 正神秘地发生着种种令人匪夷所思的事情 ， 仿佛那里成了鬼魅们藏身的最后一块地盘 。
鬼魅般的量子世界
从某种意义上说 ， 微观世界的粒子表现得比鬼魅还神秘 。 你瞧：它时而是粒子 ， 时而是波 ， 玩着种种变形记；它在同一时刻 ， 既可以在这里 ， 又可以在那里 ， 仿佛有分身术（这种同一时刻集多种可能性于一身的现象 ， 叫叠加态）……总之 ， 完全不像我们熟悉的事物 。 我们平常说的“现实”指的是一切事物都确定、有规律可循的世界 ， 而这些粒子表现出来的却是完全不确定 ， 所以可以说它并非存在于现实之中 。 它好像存在于一团模糊的“云”中 ， 但“云深不知处” 。
什么时候粒子的“身份”“位置”等属性才能确定下来呢？答案是 ， 测量的时候 。 测量是宏观世界和微观世界的“交锋” 。 既然在宏观世界 ， 一切都是确定的 ， 那么每一次测量 ， 粒子也必须给我们一个毫不含糊的交代：有就是有（意味着它在这里） ， 没有就是没有（意味着它不在这里） 。 换句话说 ， 它必须选定一种确定的方式呈现 。 但吊诡的是 ， 尽管测量条件完全相同 ， 每次的测量结果却可能都不一样 ， 就好像投硬币 ， 虽然每一次落地结果是确定的（不是正面就是反面朝上） ， 但正反却是我们无法预料的 。
不过 ， 粒子的行为跟投硬币又有本质的区别 。 对于硬币的不确定性 ， 经典物理学说 ， 那是因为我们没有掌握影响其结果的一切因素 ， 比如投掷的力有多大 ， 方向如何 ， 当时的空气状况如何 ， 等等 。 一旦知道了这一切 ， 我们就能准确预测每一次的投掷结果 。 而粒子的“任性”是量子物体与生俱来的特征 ， 跟外界无关 ， 也是我们无法左右的 。
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所以 ， 对于抛掷中的硬币 ， 虽然正反不确定 ， 我们还是会说它处于现实之中；但对于还未测量的粒子 ， 就只能说它处于“非现实”之中了（至于什么样的“非现实” ， 物理学家就词穷了） ， 一直要等到它被我们测量 ， 结果确定了 ， 我们才说 ， 它回到了现实中 。
更加诡异的波函数坍缩
在物理学上 ， 描述微观粒子的理论叫“量子力学” 。 它是在20世纪20年代发展起来的 ， 目的是解释为什么像电子这样的微观粒子有时表现得像波 ， 而像光这样的波有时却表现得像粒子（光子）——以及为什么在原子中 ， 电子所处的能量状态是不连续的 ， 只能取某些特定值 ， 像楼梯（这样的能量状态叫能级）而不像滑梯 。 量子力学的创始人之一薛定谔发明了一个方程 ， 用“波函数”来描述粒子的这种模棱两可的行为 。 一个粒子的所有信息（如位置、能量、自旋等）都包含在它的波函数中 。 你可以用波函数可靠地计算出 ， 如果测量它 ， 它处于某种特定状态的概率有多大 ， 比如说位置 ， 在A位置的概率有多大 ， 在B位置的概率又有多大等 。
后来 ， 为了解决粒子如何从“非现实”中现身现实 ， 另一位物理学家冯·诺依曼又引入了“波函数坍缩”的概念 。 他说 ， 尽管波函数中包含着粒子的所有可能性 ， 但在测量时 ， 波函数瞬间“坍缩”了 ， 像一团飘忽的“不确定”的云 ， 瞬间凝聚成一滴“确定”的雨点 ， 于是粒子从众多可能性中选择了一种呈现给我们 。 但注意 ， 这仅仅是一次测量 ， 因为每次测量 ， 粒子选择呈现给我们的可能性都不一样 。 换句话说 ， 每一次测量的结果都是随机的 。 不过 ， 重复测量却又符合用薛定谔方程预测的概率 。 还是拿抛硬币做比方 ， 尽管每次正反朝上的结果是随机的 ， 但重复抛 ， 最终还是符合两种结果1:1的预测的 。
这个波函数坍缩的理论 ， 通常被称为量子力学的哥本哈根派解释 。 因为这一派物理学家的大本营在丹麦的哥本哈根 。 根据哥本哈根派的说法 ， 波函数坍缩是不需要时间（零时间）、没任何预兆、随机发生的 。 可是 ， 这个过程到底是怎么回事 ， 他们却没给出进一步的解释 ， 甚至连“波函数坍缩是不是一个真实的物理过程” ， 他们自己都说不清 。 这就为其蒙上了一层神秘的面纱 。
各种替代解释
【量子|量子世界充满了种种神秘，但最大的神秘已经被我们解开？】虽然量子力学解释各种物理现象所向披靡 ， 但对自己的“波函数坍缩”却至今解释不了 。 长期以来 ， 这是它的一个“心病” 。
为避免这种尴尬的局面 ， 后来的理论家们也提出了各种替代方案 。 例如 ， 在由美国物理学家休?埃弗雷特提出的“多世界解释”中 ， 波函数坍缩是不必要的 。 它说 ， 当进行测量时 ， 波函数中包含的所有可能结果都会在许多不同的世界中成为现实 。 比如说 ， 粒子的状态有两种可能：衰变/没衰变 。 现在去测量它有没有衰变 ， 测得结果是它衰变了 。 但这个结果仅仅发生在我们这个世界 ， 在另一世界 ， 粒子选择呈现的却是另一种结果——没衰变 。 只是在测量时 ， 那个世界与我们的世界分道扬镳了 。 推而广之 ， 对粒子做的每一次测量 ， 都会造成世界的一次新的分裂——这就是“多世界解释”这个名称的由来 。
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这理论也很神秘 ， 是不是？但它的拥趸还不少呢 。
另一种解释是由美国物理学家波姆提出来的 ， 通常称为“波姆力学” 。 在这个理论中 ， 波函数被理解成引导粒子运动的一种“导航波” ， 由它将“云里雾里”的粒子引导到一个确定的状态 。 只是要描述这个引导过程 ， 哥本哈根派的波函数中还少了一点东西 ， 需要在其中增加一个额外的变量 ， 波姆称其为“隐变量” 。 “隐”即至今隐藏着 ， 还未被发现的意思 。 波姆本人终其一生都在寻找这个隐变量 。 这个理论也认为波函数坍缩是不必要的 。
还有一种解释 ， 称为“客观坍缩”解释 。 它说 ， 波函数坍缩是一个真实的物理过程 ， 但像波姆一样 ， 也认为需要在薛定谔方程中增加了一个额外的变量来描述这个过程 。
事实上 ， 替代方案很多 ， 限于篇幅 ， 这里仅举三种 。
量子轨迹理论
所有这些解决方案都有自己的问题 ， 这就是为什么物理学家几十年来一直在争论的原因 。 争论基本上没有结果 ， 因为没有任何确凿的证据能帮助人们做出选择 。 美国耶鲁大学的物理学家兹拉特科·米涅夫试图改变这一局面 ， 最近他和他的同事做了一项雄心勃勃的实验 ， 旨在比以往任何时候都更敏感地探索涉及量子的测量问题 。
为了理解他们的结果 ， 让我们先来了解一种鲜为人知的理论——量子轨迹理论 。 它是在20世纪90年代发展起来的 ， 用来追踪一个量子物体在测量过程中随着时间而发生的变化 。
量子轨迹理论完全是从常规量子力学发展出来的 。 薛定谔方程只能描述孤立的量子系统 ， 而量子轨迹理论可以描述量子物体与环境的相互作用 。 相互作用的结果是 ， 量子物体渐渐失去其量子性 ， 表现为经典物体（可用经典物理学描述的物体） 。 譬如说 ， 原来具有波动性的粒子 ， 不再表现出波动性；原来量子纠缠的一群粒子失去纠缠性 ， 等等 。 这样一个从量子物体退化为经典物体的过程 ， 物理学上叫退相干 。 其实 ， 退相干是一种非常普遍的现象 。 因为我们知道 ， 宏观物体都是由微观粒子组成的 ， 既然微观粒子具有量子性 ， 为什么大量微观粒子组成的宏观物体就不再具有量子性了呢？对了 ， 就是因为退相干 。
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多年以来 ， 物理学家试图用量子轨迹理论来分析一些典型的量子过程 ， 譬如量子跃迁（所谓量子跃迁 ， 就是原子在各种能量状态之间的跳跃 ， 跳跃时吸收或者发射一个光子） ， 但要得出准确的结果 ， 难度极大 。 你得要知道几乎所有发生的事情 。 例如 ， 你需要以非常短的时间间隔不断检查光子是否已发射 。 你不能错过一个光子 。 每次检查时 ， 都必须考虑原子在发射光子时所产生的反冲力对自己的影响（就像子弹射出后 ， 枪座受到反冲 ， 位置有轻微的改变） 。 这个难度有多大 ， 外行几乎难以想象 。 所以迄今为止 ， 物理学家在这方面的努力一直受挫 。
量子跃迁不再神秘
现在 ， 这种状况已经改变 。 美国物理学家米涅夫领导的团队用超导体构建一个人造原子 ， 这个人造原子具有真实原子的基本特征（比如说它的能量状态也是不连续的 ， 像梯级） 。 然后 ， 他们用微波激发这个“原子” ， 让它从能量低的基态跃迁到能量高的激发态 ， 而后 ， 人造原子将发射一个光子 ， 从激发态跃迁回基态 。 在这过程中 ， 他们以无与伦比的精确度观察了量子跃迁 。
按哥本哈根派的解释 ， 量子跃迁就是一种波函数坍缩的过程：当观测一个处于激发态的粒子时 ， 粒子的波函数坍缩 ， 导致它回到基态 。 因此 ， 量子跃迁也被认为是一种零时间、没任何预兆、随机发生的 。
但米涅夫等人观察到的量子跃迁要比这复杂得多 。 他们所看到的量子跃迁 ， 随着时间 ， 是连续渐进地发生的：处于较高能量状态的原子 ， 在持续观测的作用下（因为观测一个物体 ， 需要通过与它相互作用才能实现 ， 譬如向它发射光子 ， 然后接收发射回来的光子） ， 不断失去稳定性 ， 观测所施加的影响不断累积 ， 最后才发生跃迁 。 打个比方 ， 这就好比一个人 ， 不停地被人推搡 ， 身子摇晃得越来越厉害 ， 最后失去平衡 ， 才一头栽倒在地 。 为了向公众展示这一过程 ， 他们还录制了一段慢镜头 ， 镜头中量子跃迁就像一个雪人在阳光下融化一样 ， 缓慢发生 。
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此外 ， 米涅夫等人看到 ， 量子跃迁发生的时刻虽然是随机的 ， 但在即将发生之前有一种预兆：粒子的摆动会变得异常平静 ， 就好像火山爆发前会有一段异常平静的时间 。 因有这个预兆 ， 他们还可以阻止即将发生的量子跃迁 ， 让系统恢复到初始状态 。 这样 ， 原先被哥本哈根派认为与生俱来的量子随机性 ， 现在被证明在一定程度上是可以控制的 。
假如我们把量子物体比喻成一个爱发脾气的人 ， 虽然他何时发脾气是随机的、无法预料的 ， 但因为他发脾气之前总有预兆 ， 我们一旦观察到预兆 ， 及时安抚 ， 就可以让他把气消掉 。
“波函数坍缩”——一个多余的假设
如果沿用哥本哈根派“波函数坍缩”的概念 ， 那么米涅夫等人的工作证实了 ， “波函数坍缩”是一个实实在在的物理过程 ， 而前面提到 ， 哥本哈根派在这个问题上是支吾其词的 ， 因为他们把“波函数坍缩”搞得太神秘了 ， 连自己都不相信是否实有其事 。
哥本哈根派认为 ， 在观测过程中 ， “波函数坍缩”是不可避免的 ， 这又赋予了“观测”很大的神秘性 ， 似乎“波函数坍缩”完全取决于观测 。 这一观点的一个极端例子是薛定谔的猫实验 。 在那个实验中 ， 猫的生死都完全取决于你是否打开箱子去观测 。
但米涅夫等人给“观测”祛了魅 ， 告诉我们 ， 对量子物体的测量跟对宏观物体的测量没有本质的区别 ， 都不过是测量工具对测量物体施加的作用 。 他们甚至提出 ， 只要小心控制量子物体与测量工具的相互作用 ， 就可以将干扰降到最低 ， 从而在进行测量时避免“波函数坍缩” 。 而这也意味着 ， 我们可以对一个量子系统进行理想的测量 ， 即在测量时不破坏它的量子态 。 这对于量子计算机的研究具有重大意义 。
与此同时 ， 这些成果给了我们很多值得深思的地方 ， 其中一个重要的含义是 ， “波函数坍缩”的概念完全是一个多余的假设 。 就量子跃迁而言 ， 只需要考虑量子与测量工具的相互作用 ， 即可解释 ， 不需要引入玄乎其玄的“波函数坍缩” 。
在热学上 ， 也曾经有过“一个假设最后被认为多余”的例子 。 我们知道 ， 在显微镜下 ， 花粉颗粒在液体中不停地做无规则运动 ， 这叫“布朗运动” 。 在分子学说提出之前 ， 人们杜撰出一个小精灵 ， 说是它在推动着花粉运动 。 等到分子学说提出来后 ， 大家才知道 ， 花粉是因为受到环境中液体分子的碰撞才不停运动的 。 于是 ， 假设一个小精灵就没必要了 。
能否给量子世界彻底祛魅？
那么 ， 现在该如何理解测量结果的随机性呢？譬如测量同一个量子物体 ， 这一刻测得它在这里 ， 下一刻测量 ， 它又不在这里了 ， 这怎么解释？根据哥本哈根派的说法 ， 那是量子物体与生俱来的任性 ， 单次的测量结果只能随它自己高兴 ， 我们也拿它没办法 ， 但多次测量得到的统计结果 ， 还是会符合我们的预期的 。
现在 ， 我们可以对测量结果的随机性给出更合理的解释 。 假设你想在显微镜下测量一个粒子的位置 。 要知道它的位置信息 ， 你需要向它发射光子 ， 然后接收发射回来的光子 。 譬如显微镜聚焦后 ， 接收到的光子告诉你 ， 粒子处于显微镜视域的中心位置 。 可是 ， 光子打到粒子上之后 ， 可能就把粒子撞到远处去了 。 假如你还是以原来的聚焦条件进行第二次观测 ， 粒子就不在老地方了 。 你必须重新聚焦 ， 才能找到它的新位置 。 位置的不确定性就是由此产生的 ， 这里面没有任何神秘的东西 。
量子|量子世界充满了种种神秘，但最大的神秘已经被我们解开？
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消除了之前被称为“波函数坍缩”的概念 ， 量子理论的多世界解释甚至也变得多余 。 因为这个同样神秘的量子理论 ， 本来就是作为“波函数坍缩”的替代理论出现的 ， 皮之不存 ， 毛将焉附？同样 ， 其他几种替代理论也都是多余的 。
当然 ， 量子世界除了“波函数坍缩” ， 还笼罩着其他很多神秘 ， 譬如叠加态、量子纠缠等 。 这项研究能否彻底给量子世界祛魅？我们能否在此基础上发展出一套全新的量子理论？这些问题目前还未可知 。 但至少 ， 量子力学的最大“心病”已经有了结果 。


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