第1章　愛因斯坦為何稱其為“幽靈”

我對量子問題的思考可以說和對廣義相對論的思考一樣多。

——阿爾伯特·愛因斯坦

我無法真正相信（量子理論），因?yàn)椤锢韺W(xué)表示的是一種時間和空間上的實(shí)在，容不得超距的幽靈行為。

——阿爾伯特·愛因斯坦

20世紀(jì)50年代的一個周末，我在普林斯頓大學(xué)訪友時，朋友曾問他的女婿比爾·貝內(nèi)特和我（布魯斯）是否愿意和他的朋友阿爾伯特·愛因斯坦晚上小聚一下。這樣，我們兩個誠惶誠恐的物理系研究生不久便來到愛因斯坦家的客廳，他穿著拖鞋和運(yùn)動衫來到樓下。我因?yàn)榫o張，只記得茶點(diǎn)，卻忘了談話是如何開始的。

愛因斯坦很快就問起我們關(guān)于量子力學(xué)課的事情。他贊同我們的主講老師選用戴維·玻姆的書作教材，他問我們是否喜歡玻姆對量子理論所暗示的奇異性質(zhì)的處理。我們無法回答，因?yàn)檎n上老師讓我們跳過教材的這一部分，將注意力集中在題為“量子理論的數(shù)學(xué)形式體系”一節(jié)。愛因斯坦堅(jiān)持與我們探討關(guān)于這一理論的真正含義等思想，但他所關(guān)注的問題是我們不熟悉的。我們的量子物理課程側(cè)重的是這一理論的運(yùn)用而不是它的意義。愛因斯坦對我們對這個問題的反應(yīng)感到失望，于是談話便隨之結(jié)束了。

很多年以后我才明白，愛因斯坦為什么這么關(guān)注量子理論的神秘影響。我不知道，早在1935年他便指出，這個理論需要以一地的觀察能夠在無須任何物理力的作用下瞬時影響到遙遠(yuǎn)之處所發(fā)生的事情為前提。他將這種實(shí)際上并不存在的性質(zhì)譏諷為“幽靈作用”。這令量子理論的推動者們倍感詫異。

愛因斯坦還為下述理論陳述所困擾：如果你觀察小的對象，譬如說某處的一個原子。結(jié)果卻造成因?yàn)槟愕挠^察而使它跑到別處去了。這種效應(yīng)對于大的物體是否適用呢？原則上，是的。作為嘲笑量子理論的例子，愛因斯坦曾半開玩笑地對一位物理學(xué)同行說，他是否相信月亮的存在只有在看到它時才算。根據(jù)愛因斯坦的理解，如果你認(rèn)真對待量子理論，你就必須否認(rèn)存在一個獨(dú)立于觀察的物理實(shí)在世界。這是一項(xiàng)非常嚴(yán)重的質(zhì)疑，因?yàn)榱孔永碚摬恢皇窃S多物理學(xué)理論中的一種，而更是整個物理學(xué)的基本框架。

本書著重于量子理論中那些困擾愛因斯坦的神秘推斷。這些推斷大致出現(xiàn)于從他1905年最初建議的量子學(xué)說直到他去世后的半個世紀(jì)的時間里。在與愛因斯坦交談的那個晚上之后，我?guī)缀鯖]有想過量子的古怪性質(zhì)，即物理學(xué)家所稱的“測量問題”。作為研究生，我曾對“波粒二象性”問題感到疑惑。它是這樣一種疑難：如果你以這種方式來觀察，你可以證明原子是一個物質(zhì)聚集于一處的致密客體；但如果你用另一種方式來觀察，你得到的結(jié)果完全是另一碼事兒。你能確信原子不是一個致密物體，而是在廣泛區(qū)域里傳播的波。這一矛盾讓我困惑，但我以為，如果花上幾個小時來仔細(xì)思索，我能夠想得通，就像我的老師那樣。但作為一名研究生，我有更緊迫的事情要做。我的博士論文涉及大量的量子理論，但像大多數(shù)物理學(xué)家那樣，我很少關(guān)心這一理論的深層含義，更沒有意識到它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單純的“波粒二象性”范圍。

在做了十年的應(yīng)用物理研究和科研管理之后，我轉(zhuǎn)任加州大學(xué)圣克魯斯分校（UCSC）教師。在為文科學(xué)生開設(shè)物理課的同時，量子力學(xué)的奧秘吸引了我。而在意大利舉行的為期一周的關(guān)于量子力學(xué)基礎(chǔ)的會議則又將我?guī)Щ氐胶芫靡郧霸谄樟炙诡D那個毫無準(zhǔn)備的與愛因斯坦交談的夜晚。

當(dāng)我（弗雷德）在麻省理工學(xué)院大學(xué)三年級上量子力學(xué)課時，我在筆記本里寫下了薛定諤方程，我看著這個主宰宇宙中一切的方程而感到非常激動。后來我變得疑惑：量子力學(xué)斷言，原子的自旋方向可以同時指向不止一個方向。我花了好些時間試圖弄懂它，但最后還是放棄了。我猜想恐怕得學(xué)到更多的知識后才能理解它。

因此在進(jìn)行博士論文選題時，我選了磁系統(tǒng)的量子分析作為攻讀方向。我在運(yùn)用量子理論時變得輕率，沒有時間去思考那到底意味著什么。我忙于發(fā)表論文，拿到學(xué)位。在幾個高科技公司干了一段時間后，我加入了加州大學(xué)圣克魯斯分校的物理系。

我們兩個人開始探索物理學(xué)與思辨哲學(xué)的邊界，這使我們的物理學(xué)同事感到驚訝。我們以前的研究領(lǐng)域是相當(dāng)傳統(tǒng)的，甚至實(shí)用（有關(guān)我們在工業(yè)和學(xué)術(shù)研究方面的更多背景和聯(lián)系信息，見本書網(wǎng)站www.quantumenigma.com）。

物理學(xué)領(lǐng)域的難言之隱

量子力學(xué)獲得了驚人的成功，至今沒有一項(xiàng)理論預(yù)言是錯的。全球經(jīng)濟(jì)的三分之一依賴于以此為基礎(chǔ)的產(chǎn)品。然而，我們對量子理論所要求的世界觀的陌生程度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎我們的想象。讓我們來看看為什么是這樣。

我們大多數(shù)人都有這樣一些常識性的直覺：一個對象不可能同時處在分開的兩地。顯然，一個人在這里決定做什么不可能立即影響到遠(yuǎn)離此地的某個地方發(fā)生的事情。我們也不會認(rèn)為“那里”的真實(shí)世界與我們是否看到它有關(guān)系。量子力學(xué)則挑戰(zhàn)這些直覺。若什（J.M.Jauch）告訴我們：“對于許多有思想的物理學(xué)家來說，（量子力學(xué)的深層含義）還是家丑那樣的難言之隱。”

我們從困擾愛因斯坦的量子理論開始敘述。什么是量子理論呢？量子理論是一種在20世紀(jì)早期發(fā)展起來的、用于解釋原子行為機(jī)制的一種理論。在早期，人們發(fā)現(xiàn)，一個物體的能量可以按某個離散量的大小即量子來改變，因此描述這種行為的理論被稱為“量子力學(xué)”。“量子力學(xué)”既包括實(shí)驗(yàn)觀察也包括量子理論對觀察結(jié)果的解釋。

量子理論是每一門自然科學(xué)——從化學(xué)到宇宙學(xué)——的基礎(chǔ)。我們需要量子理論來理解為什么陽光普照，電視機(jī)是如何產(chǎn)生圖像的，為什么草是綠的，以及宇宙是如何從大爆炸演化而來的。現(xiàn)代技術(shù)就是建立在基于量子理論所設(shè)計(jì)的器件之上的。

前量子理論物理學(xué)，或稱“經(jīng)典力學(xué)”或“經(jīng)典物理學(xué)”，有時也稱“牛頓物理學(xué)”，是一種用來描述比分子大得多的物體的絕好的近似理論，它對物體的處理通常要比量子理論簡單得多，但它只是一種近似處理。對于由原子構(gòu)成的一切事物，它無能為力。盡管如此，經(jīng)典物理學(xué)卻是我們的傳統(tǒng)智慧——牛頓世界觀——的基礎(chǔ)，盡管我們現(xiàn)在知道這個古典的世界觀在根本上是有缺陷的。

自古以來，哲學(xué)家一直對物理實(shí)在的性質(zhì)進(jìn)行著深奧的猜測。在量子力學(xué)之前，人們拒絕這樣的理論性思考，而采取一種簡單的、常識性世界觀，具有邏輯上的必然性。今天，量子實(shí)驗(yàn)否定了這種常識性的物理實(shí)在。它不再是一種合理的選擇。

量子力學(xué)建議的世界觀與科學(xué)之外的東西可能有關(guān)聯(lián)嗎？對此請考慮兩個確實(shí)有這類相關(guān)性的早期發(fā)現(xiàn)：否定了地球是宇宙中心的哥白尼理論和達(dá)爾文的進(jìn)化論。在某種意義上，量子力學(xué)與外界的相關(guān)性要比哥白尼或達(dá)爾文的思想更直接，后者處理的是與遙遠(yuǎn)之外或很早以前的聯(lián)系，而量子理論研究的是這里和現(xiàn)在，它甚至與我們?nèi)祟惖谋举|(zhì)——我們的意識——相聯(lián)系。

那么，為什么量子力學(xué)沒有像那些早期的思想那樣對人類產(chǎn)生知識上和社會性的影響呢？這也許是因?yàn)檫@些早期思想較容易理解，從而也更易為人們所相信的緣故。你可以用幾句話大致總結(jié)哥白尼或達(dá)爾文的影響。至少對現(xiàn)代人來說，這些理論都好理解。但如果你嘗試總結(jié)量子理論的影響，你所得到的結(jié)論聽上去則有一種神秘感。

不管怎樣，這里我們試著粗略總結(jié)一下：量子理論告訴我們，對一物的觀察可以瞬間影響到遙遠(yuǎn)距離之外的另一個物體的行為，即使二者間不存在任何連接。這些作用就是愛因斯坦所稱的“幽靈作用”，但現(xiàn)在它們已被證明是真實(shí)存在的。量子理論還告訴我們，一個物體可以同時出現(xiàn)在兩個地方。只有在對其觀察后我們才能發(fā)現(xiàn)它恰好在某個特定的地方。因此，量子理論否認(rèn)存在一個獨(dú)立于觀察的物理實(shí)在世界。（我們將看到，“觀察”是一個棘手且有爭議的概念。）

奇怪的量子現(xiàn)象只有在小物體上才能得到直接驗(yàn)證。經(jīng)典物理學(xué)能夠在近似程度極高的水平上描述大物體的合理行為。但大物體是由小物體組成的。因此作為一種世界觀，經(jīng)典物理學(xué)對于微觀世界是行不通的。

經(jīng)典物理學(xué)可以相當(dāng)好地解釋世界，它只是不能處理“細(xì)節(jié)”。而量子物理學(xué)則能夠完美地處理“細(xì)節(jié)”，但它恰恰無法解釋世界。因此你可以看到為什么愛因斯坦感到不安。

現(xiàn)代量子理論的創(chuàng)始人之一薛定諤曾通過他的著名的貓故事來強(qiáng)調(diào)量子理論所述東西的“荒謬性”。根據(jù)量子理論，這只未觀測到的薛定諤貓既是死的也是活的，直到你對它的觀察使得它要么死掉要么活著，二者擇一。這里有些東西更難接受：如果發(fā)現(xiàn)貓死了，那么這個發(fā)現(xiàn)便產(chǎn)生出其尸僵發(fā)展的歷史；如果發(fā)現(xiàn)它活著，則這個發(fā)現(xiàn)觸發(fā)了其饑餓的歷史。時間上總是倒回去的。

量子理論所包含的謎團(tuán)已經(jīng)使物理學(xué)家為此奮斗了八十年。這期間，盡管形成了特定的專業(yè)知識，培養(yǎng)了天才的物理學(xué)家，但并不能保證目前的理解就非常可靠。因此，我們這些物理學(xué)家只能以謙虛的方式來處理這個問題，盡管我們發(fā)現(xiàn)這很難。

值得注意的是，要講清楚什么是量子之謎，基本上無須涉及太多的物理學(xué)背景。那是不是有可能某個在量子理論方面未經(jīng)多年訓(xùn)練的人就能提出新的見解？只有小孩子才會指出皇帝沒穿衣服。

爭議

我們這本書是在給文科學(xué)生講授量子力學(xué)的奧秘的基礎(chǔ)上整理而成的。量子力學(xué)部分是普通物理學(xué)課程最后幾周要講的內(nèi)容。當(dāng)我（布魯斯）在系教學(xué)會議上首次提出開設(shè)這門課程時，曾遭到一名教師的反對：

雖然你說的都是對的，但你想過沒有，向非科學(xué)家講述這些東西就好比讓孩子玩真槍。

這位持反對意見的老師，我的好朋友，有一個很好的理由：有些人，看到堅(jiān)實(shí)的物理科學(xué)與意識心靈之謎相聯(lián)系，便會變得對所有各種偽科學(xué)的謬論缺乏免疫。我的回答是，我們教的是“安全槍”：我們強(qiáng)調(diào)的是科學(xué)方法。開課申請得到了批準(zhǔn)。弗雷德現(xiàn)在就教授這門課，它已成為我們系最受歡迎的課程。

這里我們要明確指出，標(biāo)題“遭遇意識”里所談的意識，并不意味著“精神控制”，不是說你的想法可以直接控制物理世界。那是不是說我們所描述的量子實(shí)驗(yàn)的無可爭議的結(jié)果意味著意識在物理世界扮演著一種神秘角色呢？這是一個在物理學(xué)科邊緣產(chǎn)生的激烈爭論的問題。

由于本書將注意力聚焦在這個邊界處，即量子之謎出現(xiàn)的地方，因此它必然是一本有爭議的書。但是，我們絕對不是要說量子力學(xué)本身是有爭議的，而是說這些結(jié)果所蘊(yùn)含的神秘性是否超出了物理學(xué)范疇這一點(diǎn)是有爭議的。對于許多物理學(xué)家來說，這種莫名其妙的怪事最好不要談?wù)摗Ｎ锢韺W(xué)家們（包括我們自己）會因?yàn)樗麄兊膶W(xué)科遇到一些“非物理的”譬如意識問題而感到不舒服。雖然量子事實(shí)沒有異議，但對這些事實(shí)背后的意義，對量子力學(xué)要告訴我們的關(guān)于這個世界的東西，有激烈的爭辯。在物理系講這些內(nèi)容，尤其是在物理課上或?qū)Ψ菍I(yè)聽眾講這些內(nèi)容，會招致一些教師的不滿。（當(dāng)然，并非只有物理學(xué)家對物理現(xiàn)象討論中神秘出現(xiàn)的意識問題感到不適。它對我們所有人的世界觀構(gòu)成挑戰(zhàn)。）

愛因斯坦的傳記作者說起過，在20世紀(jì)50年代，如果物理系里的非終身教職員對量子理論的奇異影響表現(xiàn)出任何興趣，那都將危及到職業(yè)生涯。但時代在改變。如今，對量子力學(xué)根本問題的探索——這不可避免地會涉及意識——已經(jīng)增強(qiáng)并超越物理學(xué)延伸到心理學(xué)、哲學(xué)，甚至計(jì)算機(jī)工程等領(lǐng)域。

由于從實(shí)用的角度看，量子理論非常有效，因此一些物理學(xué)家否認(rèn)這其中還有任何問題。這種拒絕態(tài)度使得在非物理學(xué)家對量子力學(xué)的理解方面聽任偽科學(xué)傳播者的擺布。電影《我們到底知道多少》即是令我們感到遺憾的偽科學(xué)的例子。（如果你對這部影片不熟悉，請讀我們在第15章的評論。）真正的量子之謎要比“哲學(xué)”對這些問題的處理更離奇，也更深刻。了解真正的量子之謎，需要多一點(diǎn)精神努力，但它是值得的。

在一個有幾百名物理學(xué)家（包括我們兩個人）參加的物理學(xué)會議上，報告后的討論期間爆發(fā)了爭論。（辯論的熱烈程度充滿整個禮堂，2005年12月的《紐約時報》對此曾有報道。）一位與會者認(rèn)為，正因?yàn)樗殴郑粤孔永碚撚袉栴}。另一個人則極力否認(rèn)量子力學(xué)有問題，指責(zé)前者沒抓住“要點(diǎn)”。第三個人插話說：“我們還太年輕。我們應(yīng)該等待，到2200年時，量子力學(xué)在幼兒園都能教。”第四個人則概括說：“世界并不像我們認(rèn)為的那般真實(shí)。”這其中前三位都是諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者，第四位是一位很有競爭力的候選人。

這場爭論讓我們想起反映我們自己偏見的一個比喻。一對夫婦去民政部門就他們的婚姻尋求幫助。妻子說：“我們的婚姻有問題。”但她丈夫不同意，說：“我們的婚姻沒有問題。”婚姻調(diào)解員一聽就明白了誰是正確的。

量子理論的解釋

在愛因斯坦生命的最后20年里，他對量子理論的堅(jiān)持不懈地挑戰(zhàn)往往很少再有人理會，因?yàn)樗雅c現(xiàn)代物理學(xué)脫節(jié)了。在否定他所發(fā)現(xiàn)的隱藏在量子理論中的“幽靈作用”的實(shí)在性方面，他確實(shí)錯了。這種作用現(xiàn)在叫“糾纏”，已被證明是確實(shí)存在的。然而，愛因斯坦仍被公認(rèn)為當(dāng)今理論界最有先見之明的批評家。他不斷呼吁理論的奇異特性絕不能撇開不管，這一點(diǎn)已被今天對量子理論的生猛解釋的豐富性所證明。

在第15章中，我們介紹幾種有關(guān)量子力學(xué)要告訴我們的關(guān)于物理世界（包括我們自身）的爭鳴觀點(diǎn)和解釋。它們都是在廣泛的數(shù)學(xué)分析的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的嚴(yán)肅建議。它們以不同的方式暗示了觀察創(chuàng)造物理實(shí)在，認(rèn)為存在許多平行的世界，在每個世界里有我們每個人，這是一個普遍連通的世界，未來影響著過去，一個超越物理實(shí)在的實(shí)在，甚至對自由意志形成挑戰(zhàn)。

在物理學(xué)不再保持共識的邊界處，量子理論的含義是有爭議的。有關(guān)由什么來證明意識問題的大多數(shù)解釋，出于實(shí)用目的被忽略了。然而，在探索理論基礎(chǔ)方面，當(dāng)今的大多數(shù)專家承認(rèn)，量子力學(xué)的謎團(tuán)之一通常就是遇到的意識問題。雖然我們對意識感觸最深，但意識的本質(zhì)仍是不明確的。物理學(xué)對此無法處理，但不能忽視。

諾貝爾物理學(xué)獎獲得者弗蘭克·維爾切克最近評論道：

（有關(guān)量子理論意義的）相關(guān)文獻(xiàn)眾所周知是有爭議的和模糊的。我相信它仍將是這樣，直到有人在量子力學(xué)的形式框架下構(gòu)建出一個“觀察者”，即一個模型實(shí)體，其狀態(tài)對應(yīng)于自覺意識可辨認(rèn)的漫畫……這是一項(xiàng)艱巨的工程，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)物理學(xué)所認(rèn)可的范圍。

正如我們給出不爭的事實(shí)，強(qiáng)調(diào)這個謎團(tuán)對我們構(gòu)成的挑戰(zhàn)，這里我們并不提供這個謎團(tuán)的解決方案。我們只是提供讀者自己琢磨的基礎(chǔ)。值得慶幸的是，這一有爭議的問題不需要具備多少物理學(xué)知識就可以理解。