量子世界充满了种种神秘，但最大的神秘已经被我们解开？

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。