为什么量子力学仍然困扰着物理学家

这是一个思想实验：想象一下，天文学家并不真正相信地球围绕太阳运行，也不相信我们的世界每天绕轴自转。如果他们仅仅将太阳系的日心说模型视为一种抽象的数学工具，以极高的精度跟踪行星和恒星，而不是对事物真实状况的字面描述，会怎样？如果他们声称我们无法真正知道是太阳绕地球运行还是地球绕太阳运行，并且更进一步，这样的问题甚至不值得探究，又会怎样？

那将是荒谬的。没有哪个受人尊敬的科学家会接受这样的观点——除了在谈到物理学史上最强大的理论：量子力学时。自其诞生一个多世纪以来，量子力学，即原子、光子和其他粒子的物理学，仍然像以往一样令人困惑。实验一次又一次地以惊人的准确性证实了该理论的奇特预测——在某些情况下，精度达到小数点后十二位或更多。源自该理论的技术推动着世界经济：我们所知的电子工业没有量子力学就不会存在。它解释了为什么天空是蓝色的，以及恒星如何产生光。

然而，尽管该理论具有无可争议的主导地位和实际意义，物理学家们仍然对其含义或它对现实本质的阐释莫衷一是。一些物理学家否认量子力学描述了任何形式的客观现实。

至少有十几种量子力学解释争夺着物理学家们的青睐，每一种都对现实有着截然不同的看法。西班牙塞维利亚大学的物理学家阿丹·卡贝略（Adán Cabello）最近将这些令人困惑、互不相容的观点概括为“一张疯狂的地图”。

其中有“多世界模型”，它假设存在无数个平行现实。如果这听起来有点过于奢侈，你可能会更喜欢“QBism”（发音为“立体主义”），其中量子世界和观察它的科学家们在一个不可预测的、互动的宇宙中密不可分。核心问题是，物理学家们不知道量子理论最基本的方程——一个被称为波函数的数学公式——究竟代表着什么。它描述的是物理世界的根本特征吗？还是仅仅是一种预测实验结果的便捷方式？

“没有一个标准解释，”克莱姆森大学理论物理学家安东尼·瓦伦蒂尼（Antony Valentini）说。“这太不寻常了。在科学史上，我不知道有任何类似的情况。”

这种缺乏共识让物理学家们处于何种境地？毕竟，量子力学不仅仅是物理学的一个分支；它就是现代物理学。“世界上几乎每个物理系每个楼层的大多数人所做的事情，或多或少都与量子有关，”加州查普曼大学的物理学家马特·莱弗（Matt Leifer）说。

如果物理学家们无法就他们主导的理论达成一致——或者说不了解——这意味着他们在理解世界方面是否碰壁了？最近排除一些解释的努力并没有让我们更接近答案。如果说量子世界有一点是肯定的，那就是一切都从未尘埃落定。

光与影

这种困惑可以追溯到量子力学早期，即20世纪20年代，当时尼尔斯·玻尔与阿尔伯特·爱因斯坦发生了冲突。玻尔，20世纪物理学中一位几乎是神谕般的人物，认为在研究原子世界时，物理学家必须放弃存在独立于其自身测量的现实的观念。他说，量子力学的信息是不可避免的，并且异常奇特：原子和所有其他粒子在实验中被测量之前，不具有确定的位置、能量或任何属性。需要明确的是，这不仅仅是物理学家不知道属性是什么；这些属性实际上只有在测量时才产生。

爱因斯坦断然拒绝了玻尔的观点。在一个月光皎洁的夜晚，爱因斯坦在普林斯顿大学高等研究院的校园里散步时，曾对一位同事说了一句名言：“你真的相信当你没看月亮时，月亮就不存在了吗？”爱因斯坦直到去世都坚信，量子力学只是通向一个更深层、更全面的理论的垫脚石，这个理论将能解释量子世界的神秘现象。

是什么让量子力学如此令人困惑？考虑以下一个标志性的、经常重复的实验：一束光穿过一个屏障上切出的两个平行狭缝，落在屏障后面的感光胶片上。由于光本身由一束粒子——光子——组成，所以合理地假设光子在通往胶片的途中穿过其中一个狭缝。如果物理学家在每个狭缝处都安装一个光子探测器，他们确实会看到：光子随机地穿过第一个狭缝或第二个狭缝，导致胶片上形成两团独立的点。

然而，一个微小的调整，却彻底改变了结果。如果物理学家移除光子探测器，胶片上形成的图案会完全改变。代替两簇点，胶片上会出现交替的明暗条纹，物理学家称之为干涉图样。这种图案只有在每个单独的光子像波一样扩散开来，并同时穿过两个狭缝时才能形成。两波峰重合处形成亮条纹；重叠的波峰和波谷形成暗条纹。换句话说，光子在有探测器时表现为粒子，在没有探测器时表现为波。

对玻尔来说，这表明我们认为是粒子的物体，在被观察之前并没有确定的存在。在最小的尺度上，现实是模糊的，而不是清晰定义的——至少在没人看的时候。

既然万物最终都由这些模糊的粒子波组成，为什么我们在日常生活中看不到量子效应呢？为什么人、树木和所有其他事物不像构成它们的原子那样波浪状和模糊不清呢？简短的答案是没人真正知道，因此才有了量子解释的疯狂大杂烩。各种各样的版本都以某种方式试图回答一个问题：这些“量子波”是否像你脚下的土地一样真实，或者它们只是没有任何物理存在纯粹的数学构造？

多世界，一只猫

一些试图回答这个问题的尝试，如果说有什么的话，也只是给量子之酿额外增添了一剂怪异。也许所有解释中最奇怪的是1957年由普林斯顿物理学家休·埃弗里特首次提出的那个。在他的博士论文中，埃弗里特认为量子力学的方程应该从字面上理解：量子波是真实的，每个可能的波实际上代表着一个独立的、分离的现实。根据“多世界理论”（埃弗里特的思想现在以此闻名），每个可能的物理事件实际上都发生在它自己的平行宇宙中。其含义令人震惊。例如，此时此刻，无数个“你”正在阅读这篇文章，可能正在挠头。

尽管“多世界观”充满了创造宇宙的古怪之处，但它却拥有许多倡导者。“在某种意义上，它非常保守，”南加州大学物理学哲学家大卫·华莱士（David Wallace）说。“它保持了物理学不变，并坚持认为科学理论应该为我们提供对正在发生的事情的描述，即使正在发生的事情比我们想象的要奇怪得多。”

但是，当然，没有达成共识。许多物理学家更倾向于这样的观点，即量子波——或者更确切地说，它们的数学表示，波函数——不对应实际的物理实体；波函数仅仅反映了特定实验结果发生的概率。这消除了量子力学的悖论，而无需召唤无数个宇宙。例如：薛定谔那只不幸的猫。

薛定谔，玻尔和爱因斯坦的同代人，也是量子力学的创始人之一，设计了他著名的思想实验，以强调他所认为的玻尔思想的荒谬之处。他的鲁布·戈德堡式实验有六个组成部分：一个钢箱、一只猫、一个放射性元素、一个盖革计数器、一把锤子和一个氰化物小瓶。猫被放入钢箱；盖子被盖上。没有人能看到里面发生了什么。在任何给定的时间间隔内，放射性元素可能会也可能不会发射高能粒子。如果发射了，盖革计数器会检测到并触发锤子砸碎小瓶，释放有毒气体杀死猫。如果没有发射，猫就存活。

根据量子力学的规则，放射性粒子以波函数形式存在于所有可能的状态中——既已发射又未发射。单一确定的状态只在测量时才结晶。这对猫意味着什么？在有人打开盒子查看之前，它既活着又死了吗？薛定谔嘲笑了猫——或任何事物——同时存在于两种不同状态的观念。

对一些物理学家来说，薛定谔的思想实验表明波函数不可能是真实的，它仅仅代表不同事件的概率。猫要么活着要么死了，而不是又活又死。猫的状态在任何人打开盒子之前就已经确定了。盒子打开时唯一改变的，是我们对猫命运的了解。

反对现实的牌

在我们日常的世界里，量子理论的法则似乎导致荒谬的结果。但那个双缝实验呢？如果波函数不是真实的，那是什么创造了那些明暗条纹呢？

四年前，滑铁卢圆周理论物理研究所的马修·普赛（Matthew Pusey）、当时在伦敦大学的乔纳森·巴雷特（Jonathan Barrett）和伦敦帝国理工学院的特里·鲁道夫（Terry Rudolph）在《自然物理学》上发表了一篇论文，他们令人信服地论证了量子波必须是真实的。在接受《自然》杂志采访时，克莱姆森大学的物理学家瓦伦蒂尼说：“我不想听起来夸张，但我认为‘地震级’这个词可能适用于这篇论文。”

普赛、巴雷特和鲁道夫的定理，被称为 PBR 定理，使用了一个复杂的数学论证来表明，任何不将波函数视为真实对象的量子力学解释，都不可避免地会导致与量子理论本身相矛盾的结果。如果他们是对的，并且波函数是真实的，那么像埃弗里特的多世界解释（将波函数的真实性视为既定事实）可能会开始显得更合理。在这种情况下，薛定谔的猫将在一个宇宙中活着，在另一个宇宙中死去。或者，玻尔观点的支持者可能会声称，猫在封闭的盒子中以模糊的量子波存在；那只疲惫的猫确实会处于一种活死结合的状态，直到有人去查看。

要了解 PBR 论证的要点，请考虑您和庄家之间玩的一个简单纸牌游戏，涉及两副牌。一副牌只有红牌，另一副牌只有 A。庄家给您一张牌，并询问它来自哪副牌。在大多数情况下，答案会很简单。但对于两张牌——两张红 A——则无法分辨。这些 A 可能来自任何一副牌。这对于一副扑克牌来说没问题，但量子版本就没那么好玩了。

如果波函数不是一个真实的物理对象，而只是测量实验概率，那么多个波函数可以描述一个单一的物理状态，比如一个光子的位置（就像那张红色的A可以来自任何一副牌）。普赛说，量子力学中，一大堆不同的波函数可以描述同一个基本现实的观念是站不住脚的。现实不能来自两副牌。他和他的同事表明，概率解释变得有问题。

普赛说：“它导致了如此多的可能性，以至于你可以证明量子力学是不允许的。”“一个物理状态与如此多的不同波函数兼容是没有意义的。那些波函数做出的预测是如此不同。”PBR 定理表明，量子态因此必须与真实存在的东西唯一对应——也就是说，它证明了波函数确实存在，而不仅仅是概率的抽象测量。

尽管获得了一些好评，PBR 的结果并没有改变许多人的想法。普赛说：“我有点失望，喜欢它的人都是那些已经相信这个结论的人。”反对者反而否认了 PBR 的主要假设之一：首先存在一个我们可以测量的客观现实。

一个可塑的宇宙

完全客观现实的观念是科学的基石原则，这也是爱因斯坦对玻尔“没有观察就没有存在”的量子理论观点感到如此不适的主要原因。然而，现在在马萨诸塞大学的物理学家克里斯托弗·福克斯（Christopher Fuchs）和伦敦皇家霍洛威大学的鲁迪格·沙克（Ruediger Schack）却不这样认为。他们认为玻尔有所发现：我们对客观现实的观念需要修正。物理世界不能与我们自己探测它的努力分离。既然我们自己就置身于我们试图理解的世界之中，又怎么可能分离呢？

他们将这种看待量子力学的方式称为“QBism”，这是他们与新墨西哥大学物理学家卡尔顿·卡夫斯（Carlton Caves）共同开发的“量子贝叶斯主义”理论的修正版本。QBism 将量子力学与贝叶斯概率结合起来，后者是标准概率的一种变体，其中任何给定事件的几率都会随着人们获得更多与事件相关的可能条件知识而修正。例如，如果患者向医生抱怨头痛，初步诊断脑癌的几率可能很低。随着医生检查患者，癌症诊断的几率可能会上升或下降。

QBism将类似的推理应用于物理实验：每当物理学家进行实验时，他们都在更新自己的主观知识。没有一个固定的底层现实可以被不同的观察者独立体验。正如医生必须单独评估每位患者一样，物理学家也必须以同样的方式对待量子世界呈现的、不断变化的新现象。在QBism中，实验者不能与实验分离——两者都沉浸在同一个鲜活的、不可预测的时刻。

“如果QBism对现实的本质说了什么激进而重要的事情，那么观察者参与就是它，”沙克说。“主体很重要。如果QBism是对的，那么现实就不能在不总是包含主体的情况下被构想出来。这无疑是对真实世界、对现实的一个大胆声明。这只是现实的一个非常基本的特征。”

沙克说，量子理论提供了关于真实世界的深刻观察，但理论本身并不是对世界的描述。他认为，正确理解量子力学的方式是将其视为一套关于如何正确进行实验的规则。

沙克说：“你看到波还是粒子，取决于你问什么问题。”“物理学家做什么？他们选择实验。你可以把任何实验描述为对结果的赌博。量子力学是行动的有用指南：它告诉你如何组装你的实验设备，使其最终奏效。”

沙克说，他和福克斯喜欢使用他们从美国哲学家威廉·詹姆斯那里借来的一个术语，詹姆斯认为现实是“可塑的”。沙克说，QBism 也表达了同样的意思。我们居住在一个什么样的宇宙中？它像一台巨大的机器，未来根据不变的法则从过去演变而来吗？还是它本质上是互动的？他问道：“你为什么要一个发条宇宙呢？”“QBism 提供了一个更丰富的宇宙。这是一个我们比在发条宇宙中更重要的现实。”

回到最初

如果QBism是正确的，如果波函数不是真实的，并且量子理论没有直接描述现实，那么它留下了一个最基本的问题没有答案：量子世界究竟是什么样子的？它由什么构成？粒子？波？还是超越我们想象力的某种东西？对于理论物理学家瓦伦蒂尼来说，答案从量子理论最早的日子就已存在。

1927年，法国物理学家路易·德布罗意（Louis de Broglie）首次提出粒子可以像波一样行为，他发展了一种量子力学解释，称为导波理论，其中波和粒子都是真实存在的。每个粒子都驾驭着自己的波。导波是一种奇异的东西——它存在于多个维度——但它是一个真实的物理对象。

导波理论解释了奇怪的双缝实验：粒子总是穿过其中一个狭缝；同时它的导波穿过两个狭缝。但没有波粒悖论，因为实验装置和波浪冲浪粒子都构成了一个由导波描述的相互依存系统。在实验中添加或移除探测器会改变系统的导波和屏幕上的图案。

然而，玻尔和其他物理学泰斗拒绝了德布罗意的想法，部分原因是它没有提供任何预测粒子精确路径的方法。在20世纪50年代，美国著名物理学家大卫·玻姆（David Bohm）对德布罗意的想法做了一些额外的工作，但导波理论在很大程度上一直沉寂，直到20世纪90年代初，当它吸引了作为研究生的瓦伦蒂尼。

瓦伦蒂尼几乎独自一人将毕生精力投入到复兴导波理论中。现在，他多年的工作终于有机会——他承认机会很小——得到证实。在众多量子理论解释中，导波理论的独特之处在于瓦伦蒂尼找到了一种可能通过实验进行检验的方式。没有其他量子力学解释可以做出这样的声明。多世界理论、玻尔的解释以及其他理论在实验上都是无法区分的——它们都再现了标准量子理论的结果。但如果瓦伦蒂尼是对的，导波理论中预测的某些效应可能在宇宙微波背景辐射上留下了印记，那是大爆炸遗留下来的原始辐射，至今仍弥漫于整个空间。

那辐射的温度几乎是绝对零度以上完美的2.725摄氏度。然而，详细的观测发现了辐射中存在细微的变化。标准量子理论可以解释几乎所有这些变化，但在2015年，欧洲空间局普朗克探测器发布的新数据显示，背景辐射中存在微小异常的证据。而这正是瓦伦蒂尼一直在寻找的东西。虽然传统量子理论预测早期宇宙中随机的量子涨落会在天体上留下印记，但导波理论预测的涨落不那么随机，会在宇宙微波背景辐射中留下略微不同的皱纹。

“这很诱人，”瓦伦蒂尼说。“我们正在进行分析，部分是为了更好地理解事物，部分是为了看看数据能告诉我们关于我们预测了什么。”再有两年的数据和分析应该能解决这个问题。

瓦伦蒂尼也因PBR定理而感到鼓舞，因为它支持了导波理论的核心信条：波函数是真实的。然而，他意识到他的毕生工作得到证实的几率很小。“谁知道会发生什么呢？”他说，“这可能意味着20年的努力付诸东流。我们不知道。不同的阵营都在努力推动自己的解释。但说实话，作为科学家，如果公众问我们物理学最基本理论的意义是什么，我想我们都必须说我们不知道。”

蒂姆·福尔杰是《发现》杂志的特约编辑，也是年度选集《美国最佳科学与自然写作》的系列编辑。他住在新墨西哥州。

【本文最初以“现实之战”为题刊登于纸质版。】