死而复生：是时候重新思考量子物理学了

量子物理学是出了名的怪异和难以理解。就连因在这一领域的研究而获得诺贝尔奖的理查德费曼也在他的著作《物理定律的特性》(the Character Of Physical Law)中写道：“我想我可以有把握地说，没有人理解量子力学。”

即使是这个理论最基本的特征也超出了常识的范围，比如同时存在粒子和波这样的概念。事实上，更精确地说，它表现得既像粒子又像波，但这种区别常常被遗忘。

还有一种观点认为，一个粒子同时存在于多个状态(如衰变或未衰变)，直到它被测量，当它“坍缩”成一个或另一个状态。这就引出了薛定谔的猫，一个著名的思想实验，假设一只猫可以同时活着和死了，如果它的生命某种程度上取决于粒子的状态。

更奇怪的结果是量子纠缠，也被称为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(EPR)悖论。想象一下，产生两个粒子，每个粒子都有一个叫做“自旋”的量：一个必须自旋向上，另一个必须自旋向下，这样它们就抵消了。但是，在你测量它们之前，哪一个是不确定的，两个粒子都有自旋向上和自旋向下。

想象一下，你向相反的方向发射这些粒子，它们相隔数光年，然后测量其中一个。你强迫这个粒子决定它是自旋向上还是自旋向下，这也立即决定了另一个粒子。但是那个粒子离我们几光年远。那么你的粒子是如何影响它的孪生兄弟的呢？爱因斯坦称这种行为为“远距离的幽灵行为”。

这些现象并不一定是量子物理固有的，而是我们选择解释方程的方式所导致的。这种特殊的理解方式被称为哥本哈根解释，它主导了量子物理学的讨论。这并不是说这是唯一的解释，甚至不是说这是最好的解释。

不那么美妙的哥本哈根诠释

几十年来，量子物理学的解释成为了看待事物的标准方式。在20世纪20年代，物理学家已经知道量子世界可以用两种数学方法来描述。一种是波的形式，总结在薛定谔方程中，另一种涉及纯数，以矩阵的形式出现，由维尔纳·海森堡和保罗·狄拉克的工作发展而来。

他们给出了同样的答案，所以这是一个选择与谁合作的问题；由于大多数物理学家已经对波动方程有了一定的了解，所以他们选择了波动方程。然而，在任何量子计算中，你计算的是系统的两种状态之间的关系，其中系统可能是一个电子，有两个洞的实验，或者(原则上)整个宇宙——或者电子和宇宙之间的任何东西。如果你有一组参数描述处于A状态的系统，你可以计算一段时间后它处于B状态的概率。但是没有任何东西告诉你在这两者之间发生了什么。

典型的例子是原子中的电子。在某些计算中，电子可以被认为是在轨道上，轨道上对应着不同的能量。当一个原子以光的形式发射能量时，一个电子从一个轨道上消失，出现在离原子核更近的另一个轨道上。当原子吸收光时，电子从一个轨道上消失，并出现在离原子核更远的轨道上。但它不会从一个轨道移动到另一个轨道。首先它在这里，然后它在那里。这就是所谓的“量子跃迁”。

薛定谔是他在飞跃波动力学来解释发生了什么，,他说：“如果这些该死的量子跳跃真的存在，我应该抱歉介入与量子理论。矩阵的方法是更诚实，因为它不假装试着告诉我们两个粒子之间发生了什么。

几十年来，看待量子世界的标准方式被称为哥本哈根解释，因为它得到了尼尔斯·玻尔的大力推广，玻尔是居住在哥本哈根的一位强有力的人物。波尔让马克斯·波恩相当恼火，他不是波尔团队的成员，也没有在哥本哈根工作，但他关于概率的想法是解释的一个不可或缺的部分。

玻尔在20世纪20年代末主导了所有关于量子物理学的讨论，他不仅让自己的家乡以这种方式得到认可，还对另一种完全可行的量子力学解释不屑一顾，以至于这种解释被忽视了20年。

玻尔本质上是一个实用主义者，他乐于把不同的想法拼凑在一起，组成一个工作包，而不用过多担心这一切意味着什么。因此，对于哥本哈根的解释是什么，并没有一个直接、明确的表述，尽管玻尔在1927年意大利科莫的一次演讲中就接近于这样的一个启示。

会议上，讨论了物理学是一个具有里程碑意义的时刻，应用量子力学涉及原子和分子的实际问题的解决方案(例如，化学、激光和分子生物学),而不必考虑的基本面解释这一切意味着什么。

玻尔的实用主义方法延伸到他的解释。他说除了实验的结果，我们什么都不知道。这些结果取决于实验的目的——取决于我们选择向量子世界(自然界)提出的问题。这些问题被我们对世界的日常体验所影响，其规模远远大于原子和其他量子实体。

所以我们可能会猜测电子是粒子，然后建立一个实验，通过测量一个电子的动量，把这个电子想象成一个小的台球，来很明显地证明这一点。当我们这样做的时候，你瞧，实验测量了电子的动量，证实了我们的观点，电子是粒子。但是我们的一个朋友有不同的想法。她认为电子是波，并设计了一个实验来测量电子的波长。瞧，她的实验给出了波长的测量，证实了她的观点，即电子是波。

波尔说，那又怎样。仅仅因为当你在寻找粒子时，电子的行为就好像它是一个粒子，或者当你在寻找波时，它是一个波，这并不意味着它要么是，要么不是，更不用说两者都是。你看到的就是你得到的，你看到的取决于你选择寻找什么。根据哥本哈根的解释，当没有人测量电子和原子时，问它们是什么量子实体，或者它们在做什么是毫无意义的——如果你愿意，可以看看它们。

到目前为止，一切都很务实，没有什么太令人担忧的。但波尔很快就把我们带进了泥泞的水域。这就是概率的作用。当薛定谔方程是一个文字的描述一个电子(或其他量子实体；举例来说，电子是最简单的例子)。对他来说，电子就是波。

当我们测量或观察一个量子实体时，波函数“塌缩”到一个点，由概率决定。但是尽管有些位置比其他位置更有可能，原则上电子可以出现在波函数传播到的任何地方。

想象一个盒子里只有一个电子。通过概率波扩散开来，均匀地填满盒子，这意味着在盒子里的任何位置都有相同的机会找到电子。现在在盒子中间放一个分区。常识告诉我们，电子现在一定被困在盒子的一半里。但哥本哈根解释说，概率波仍然充满了盒子的每一半，电子可能以相同的概率在隔板的两边被发现。现在把盒子从隔板中间分成两半。

把一个盒子放在你的实验室里，把另一个放在火箭上，火箭会把它带到火星。不过，波尔表示，在实验室的盒子里或火星上的盒子里，电子出现的几率是50:50。现在打开你实验室里的盒子，要么找到一个电子，要么没有。但不管怎样，波函数已经崩溃了。如果盒子是空的，电子在火星上；如果你有一个电子，另一个盒子是空的。这并不等于说电子总是在盒子的一半或另一半里；CI坚持认为，只有在实验室检查盒子里的东西时，才会发生坍塌。

我在学生时代学过CI，现在很多学生还在学CI，根据CI的说法，作为“理解”量子力学的“方法”，一个电子从实验一侧的一个源——电子枪——以粒子的形式发射出来。它立即变成一个“概率波”，在实验中传播开来，并朝着另一边的探测器屏幕前进。

不管有多少洞是开着的，这个波都要穿过，不管是否适当地干扰它自己，然后以一种概率模式到达探测器，这种概率模式在屏幕上分布，有些地方更高，有些地方更低。在那一刻，波“崩溃”并变成一个粒子，粒子在屏幕上的位置是随机选择的，但要根据概率。这叫做“波函数的崩溃”。电子以波的形式运动，但以粒子的形式到达。

然而，这种波所承载的不仅仅是概率。如果量子实体的状态可以选择,比如一个电子自旋向上和自旋向下，这种情况称为“叠加的状态”，和国家实体落定成点的检测,或与另一个实体的交互,也决定目前波函数坍塌。1955年，维尔纳·海森堡在圣安德鲁斯大学的一次演讲中说:“从'可能’到'实际’的转变发生在观察的过程中。”

这是一种计算量子行为的方法，就好像电子这样的东西确实是这样的。但它也带来了许多困惑。其中最令人困惑的是物理学家约翰·惠勒提出的一个所谓的“延迟选择”实验。他从这样一个事实开始：当光子是红色的，每次一个，通过两个孔的实验，它们仍然在探测器屏幕上形成干涉图样。但是根据CI，如果在两个孔和探测器屏幕之间放置一个设备来监视光子通过哪个孔，干涉图样就会消失，这表明每个光子确实只通过了其中一个孔。

之所以会出现“延迟选择”，是因为我们可以决定是否在光子通过带有两个孔的屏幕后对其进行监控。当然，人类的反应还不够快。但是已经有实验用自动监测装置来完成这一任务，在光子通过小孔后打开或关闭监视器。它们表明，当光子被监测时，干涉模式确实会消失，这意味着每个光子(或概率波)只经过一个洞——即使监测光子的决定是在它通过这些洞之后做出的。

维尔纳·海森堡惠勒指出，你可以想象一个类似的实验在宇宙的尺度上。在一种被称为引力透镜的现象中，来自遥远物体(如类星体)的光，会受到介入物体(如星系)引力的聚焦，从而沿着引力透镜周围的两条(或多条)路径运动。这是在地球上探测器中拍摄到的两幅物体图像。原则上，我们可以将来自引力透镜不同方向的光线合并，形成干涉图样，而不是形成这两幅图像，干涉图样是由围绕透镜的两个方向的波引起的。宇宙版本的两个洞的实验。

但是，我们可以在光子有机会形成干涉图样之前对它们进行监测，看它们是从透镜的哪个方向来的。在这种情况下，根据实验室规模的实验结果，干涉图样将消失。类星体可能在100亿光年之外，充当引力透镜的星系可能在50亿光年之外。但根据我们从实验中所知道的一切，光子在数十亿年前和数十亿光年之外的活动受到我们此时此地所选择测量的东西的影响。发生了什么事?正如惠勒自己所说，“哥本哈根的解释要求我们不要问这样的事情”(菲利普鲍尔引用)。那就不太妙了。

本质上，哥本哈根解释说，一个量子实体只有在被测量出来之前，才具有某种性质——任何性质。这就提出了各种各样的问题，什么构成了度量。是否一定要涉及到人类的智力?如果没有人看月亮，它在那里吗?宇宙的存在仅仅是因为人类有足够的智慧去注意它吗?或者量子实体与探测器之间的相互作用可以算作一种测量吗?或者在这两个极端之间，你能找到量子世界和经典世界之间的边界吗?

正是这种担心导致薛定谔的猫诞生，他著名的难题关于猫锁在一个房间里与恶魔的设备准备杀死猫,但是是50:50的叠加状态。假设房间里有一个探测器测量电子的自旋。如果它是开着的，设备就会被触发，猫就会死掉。如果它掉下来了，猫就安全了。

电子在被测量之前处于态的叠加状态。但是房间里没有人看到探测器被触发时会发生什么。那么波函数是否会崩溃呢?在有人打开房间的门往里看之前，猫是否也处于死与活的状态的叠加状态?

我自己的这个想法的发展涉及到的两个猫的后代(假设它历经)我叫薛定谔的小猫(*粒子物理学家已经使用的名称和它在另一个上下文。这是他们的特权)。这些同卵双胞胎女儿的猫住在相同的空间,提供所有的生活必需品,甚至一些玩具玩。胶囊由一根管子连接，管子中间有一个盒子，里面有一个电子。电子波均匀地充满了盒子。一个隔板滑下来，把盒子分成两半，把两个胶囊分开，现在每个胶囊都连接到一个盒子上，盒子里有半个电子波。现在，这两个太空舱以完全相同的速度，以相反的方向分别进行长途旅行，直到它们相距几光年。每一个都有一个探测器来监测电子的存在。

经过一段时间后(不必每次都是相同的时间)，每个胶囊中的半盒由一个自动装置打开。如果其中有一个电子，现在已经长大的猫就会死掉。如果没有，猫还活着。但没有聪明的观察者知道发生了什么。那么，这两只猫现在是处于叠加状态吗?一个聪明的外星人在一艘经过的宇宙飞船上抓住了其中一个太空舱，往里面看，看到的要么是一只死猫，要么是一只活猫。是在那个时候，每个胶囊中的波函数崩溃了，所以外星人看到的决定了两光年外另一只猫的命运?是的，根据不那么美妙的哥本哈根解释。