01
熱愛隱藏的大自然

近90年來，量子力學始終是我們理解自然世界的核心理論。它無處不在，但也極度神秘，缺少了它，幾乎所有現代科學都會變得毫無意義。然而，人們至今仍然很難就量子力學能夠給出何種關于自然世界的論斷達成一致意見。

量子力學解釋了原子的存在、為什么原子能保持穩定，以及為什么不同的原子擁有不同的化學性質，量子力學還解釋了原子之間如何互相結合形成各種各樣的分子，因此，量子力學成了我們理解分子結構和分子間相互作用的基礎，我們無法想象如果沒有量子力學我們要如何理解生命。從水的外在表現到蛋白質的內在結構，再到由DNA和RNA完成的信息傳遞和信息保真，生物學中的一切都依賴量子。

量子力學解釋了物質的性質，比如是什么讓金屬成了導體，而讓另一些物質成了絕緣體。量子力學還解釋了光和放射性，這是核物理學的基礎。沒有量子力學，我們就無法理解恒星是如何發光的，也無法發明電子芯片或激光，而我們有許多技術以芯片或激光為基礎。量子力學是我們用來書寫量子物理學標準模型的語言，它包含了我們所知的有關基本粒子及其賴以產生相互作用的基本力的一切。

根據我們目前研究早期宇宙的最優理論，所有物質以及所有最后合并成了星系的物質結構，都會在早期宇宙快速膨脹的過程中因真空空間的量子隨機性而突然誕生。你或許無法精確理解這番話背后的含義，但或許可以在腦海中生成一幅大概的畫面。無論如何，倘若這就是事實，那么如果沒有量子物理學，一切都將不存在了，只會剩下空空如也的時空。

盡管量子力學取得了如此輝煌的成就，其核心仍是一個極難解決的謎題。量子世界的行為方式對于我們的直覺來說是一種挑戰。你常常可以聽到這樣的說法：在量子世界中，一個原子可以同時處于兩個地點，但這還只是量子世界怪異性的開始，這種理論的完整描述可比這一說法奇怪得多。如果原子可能在這里，也可能在那里，那么從某種程度來說，我們就必須稱它的狀態是同時處于這里和那里，即原子處于一種“疊加態”（superposition state）。

如果你是剛接觸量子世界，你一定會好奇“原子在某種程度上同時處于這里和那里”是什么意思。對這一問題提出質疑是明智之舉，因為這正是量子力學的核心謎團之一。就目前來說，你只需要知道這是量子力學的未解之謎，并且我們創造了一個叫作“疊加態”的術語就行了。接下來，我們就會揭開它的神秘面紗。

當我們說某個量子粒子處于既在這里又在那里的疊加態時，我們指的是物質那種像波一樣的性質。因為波是一種可以擴散出去的擾動，所以當然可以既在這里又在那里。

我們剛剛談論的是基本粒子，但其實包括原子和分子在內的任何量子都既有粒子的性質，又有波的性質，這就是所謂的“波粒二象性”。我們可以通過下面這個例子細細品味這種特性背后的含義。如果我們通過實驗尋找某個原子，得到的結果會是它在確定的某處。然而，在各次測量之間，也就是當我們不去尋找這個原子的時候，我們就不可能準確預測它的位置。這就像是找到粒子的概率或傾向在我們沒有尋找它時像波一樣擴散開來，但只要我們再次搜尋，它就一定會出現在某處。

你可以想象我們在和原子玩捉迷藏。我們“睜開眼睛”——啟動探測器，接著就觀察到了它出現在某處，但當我們閉上雙眼時，它就擴散成了一道概率波，而當我們再次“睜開眼睛”時，原子就一定會再次在某處出現。

量子世界特有的另一大特征叫作“糾纏”（entanglement）。如果兩個粒子發生了相互作用，然后又分開，它們仍會共享某些性質，而且這些性質不能拆分成可以分別由這兩個粒子單獨享有的形式。從這個意義上說，雖然它們分開了，但仍交織在一起。

那些測量儀器則是我們所熟悉的世界中的“大型物體”——我們日常生活中常見的事物。我們可以確定的一點是：日常生活中常見的這些大型物體不會表現出量子力學所描繪的那種奇怪行為。椅子要么在這里，要么在那里，從來不會處于既在這里又在那里的疊加態。當我們于夜晚在陌生的旅店房間內醒來時，我們或許無法確定椅子在哪兒，但卻可以肯定它就在房間中的某處。即使我們在黑暗中碰到這把椅子，我們的未來也不會和這把椅子的未來發生糾纏。

我們知道，在我們生活的這個世界中，一只貓要么是死了，要么還活著，哪怕把它鎖在箱子里，情況也仍是如此。當我們打開箱子時，貓不會突然從既死又生的疊加態坍縮成或死或生的確定狀態。如果打開箱子后，我們發現貓死了，那么它很可能已經死了一段時間了，我們甚至可以在打開箱子的那一刻聞到相應的氣味。

普通物體看起來并不具有構成它們的原子所具有的那些怪異的量子性質，這似乎是顯而易見的，但卻引發了一個謎一樣的問題。既然量子力學是自然世界的核心理論，那么，它就一定是普適的，也就是說，如果它適用于一個原子，就必然適用于更多的原子，我們有確鑿的實驗證據能夠支持這一點。那些把大分子置于量子疊加態的精細實驗向我們展示了，這些大分子所具有的量子怪異性與電子并沒有什么不同，至少，它們都會像波那樣發生干涉和衍射。

然而，這么推演下來，量子力學應該也適用于那些巨量原子的集合體，比如由原子構成的你、我、貓、椅子等，但事實似乎并非如此。量子力學似乎也不適用于任何我們用來給原子成像并揭示原子的量子怪異性的工具和儀器。這又是怎么回事呢？

需要指出的是，我們通常是運用大型設備來測量原子的某種性質的，那么，這些接受測量的原子很有可能處于疊加態，也就是同時處在不同的地方，因此，我們提出的這個問題有諸多可能的答案，但測量儀器總是只給出其中之一。為什么會這樣？為什么量子力學在我們用來測量量子系統的那些設備上失效了呢？

這就是所謂的“測量問題”（measurement problem），自20世紀20年代以來，這個問題一直爭議不斷并且仍未得到解決。即便經過了這么長時間，專家們仍沒能在這個問題上達成一致。這個事實意味著自然世界中有一些基本知識是我們尚未理解的。

因此，量子世界（原子可以同時處于多個地點）與尋常世界（所有事物在某一時刻都必然處于某個確定的地點）之間必然存在一條邊界，越過這一邊界，情況就會發生轉變。如果一個由10個或90個原子構成的分子可以用量子力學描述，但一只貓不行，那么這兩者之間必然存在一條分界線，而這一分界線就是量子世界的終點。測量問題的答案會告訴我們這條分界線在哪，并且會解釋這種轉變是如何發生的。

有些物理學家確信自己知道測量問題的答案，隨后，我們就會論述他們的觀點。我們想要知道的是，把這種瘋狂的量子性質從我們對世界的理解中剔除需要付出什么代價。

一般來說，那些想要破解量子力學之謎的物理學家，可以分為兩派。

第一派物理學家認為：人們在20世紀20年代提出的這個理論本質上是正確的。這一派物理學家相信，問題不在于量子力學本身，而在于我們理解或談論量子力學的方式。這種降低量子力學的怪異性的策略可以追溯到丹麥物理學家尼爾斯·玻爾等幾位量子力學奠基人。

玻爾在20多歲時就率先把量子理論應用于原子理論。隨著年歲的增長，玻爾成了量子革命的實際領導人，這一方面是因為他的想法很有吸引力；另一方面則是因為他教授并指導了許多年輕的量子理論革命者。

第二派物理學家認為：量子力學并不完備，這種理論的某些解釋之所以不合情理，是因為它并不全面。他們致力于尋找能夠告訴我們全部真相的理論，并且想要在這個過程中揭開量子力學之謎。這個策略可以追溯到愛因斯坦。

愛因斯坦正是開啟這場量子革命的第一人，他首次闡明了光的波粒二象性。如今，他更為人們所知的成就是提出了相對論，但他獲得諾貝爾物理學獎的原因是量子理論方面的工作。他本人也承認自己花在量子理論上的時間要比相對論多得多。然而，即便愛因斯坦開啟了這場量子革命，他也沒能成為領導者，因為當量子力學在20世紀20年代被正式建立的時候，擁有現實主義情節的他無法接受這個理論。

按照我們在前言中介紹的分類，上述第一派物理學家中大部分都是反現實主義者或魔幻現實主義者，而第二派則主要是現實主義者。

那些認為量子力學不完備的人指出了這樣一個事實：在大多數情況下，量子力學只能對實驗結果給出統計學預測。也就是說，量子力學只能給出各個實驗結果出現的概率，但并不能告訴我們究竟會發生什么。愛因斯坦在1926年給他的好友馬克斯·玻恩（Max Born）的一封信中寫道：

量子力學的確令人印象深刻，不過，我內心中有個聲音告訴我，它還不是事情的真相。這種理論的確提供了很多信息，但并沒有讓我們真正解開一些“舊理論”的秘密。無論如何，我確信他（上帝）不擲骰子1。

愛因斯坦也是玻爾的朋友，他倆對量子力學截然不同的態度引發了一場激烈的辯論，這場辯論持續了40多年，直到愛因斯坦逝世。他們兩人在學術上的后繼者們則把這場辯論延續到了現在。愛因斯坦是第一個明確提出我們需要一種革命性的關于原子和輻射新理論的人，但他無法接受這一理論就是量子力學，他對量子力學的第一反應是覺得它不自洽（不過，后來的發展證明愛因斯坦的這個想法并不正確），繼而，他指出量子力學對自然世界的描述并不完備，它遺漏了其中很重要的部分。

我認為，愛因斯坦之所以不把量子力學當作權威理論，是因為他對科學有著極高的追求。超越主觀意見并發現自然世界的真實圖景，即用一些永恒的數學定律揭示現實的本質，這一愿景驅動著他前進。對愛因斯坦來說，科學的宗旨就是捕捉世界的真諦，而且這種真諦是獨立于我們而存在的，與我們對它的看法與了解沒有任何關系。

愛因斯坦一定覺得這個要求由自己提出最為合適，畢竟他在發現廣義相對論和狹義相對論時就已取得過這樣的成就。在奠定了量子物理學的基礎之后，他想要通過對原子、電子和光的完整描述來捕捉原子世界的真諦。

玻爾認為，原子物理學理論在以下兩個方面需要革命性的修正：一是我們如何理解科學的含義；二是我們如何看待現實與我們對現實的認識之間的關系。這種需要的根本原因在于我們是這個世界的一部分，所以，我們必定會與自己想要描述的原子產生相互作用。

玻爾斷言：一旦我們在思想上完成了這種革命性的轉變，量子力學就必然會變得完備起來，因為它在我們這些試圖描述這個世界的參與者身上扎了根。在玻爾看來，既然現在沒有比量子力學更完備的描述世界的理論，那么它就是完備的。

如果我們拒絕這些哲學革命并且堅守對現實及其與觀測和認知之間關系的傳統觀點，我們就得付出另一種代價：深思自己是否在認識自然世界的某些方面犯了錯，還必須找到那種看似尋常實則錯誤的觀點并用一個全新的物理學假設代替，而這個假設會打開通往足以使量子力學更趨完備的新理論的大門。

為此，從1935年愛因斯坦和兩位合作者撰寫的一篇論文開始，物理學家們提出了大量理論，并開展了大量實驗，現在我們已經了解了這種完備化進程的一個方面：新理論必須打破一個常識性假設——物體只會與空間上較為接近的其他物體發生相互作用，這個假設被稱為局域性。我們將在后續章節中討論的一大重點就是，我們如何在取代量子力學的新理論中超越這種常識性觀點。

本書主要有三大目標。第一大目標是，我想對非專業人士講述量子力學的核心存在什么樣的謎團。直到人類已經研究量子力學長達一個多世紀之后的今天，大家都沒有就這些謎團的答案達成一致意見，這就足以說明問題了。

不過，在這場關于量子力學是不是物理學終極理論的大辯論中，雖然我是以客觀公正的方式向讀者介紹辯論雙方的論點，但我本人并不會保持中立，我站在愛因斯坦這一邊。我相信有一層比玻爾描述得更為深邃的現實，而且，我們可以在既不與已有的傳統觀點相悖又不損害我們理解和描述現實的能力的前提下理解這層現實。

我的第二大目標就是提出一種關于量子力學之謎的觀點：只有通過科學的進步才能解決這些問題，而這種進步必然會使我們發現量子力學之外的世界。那些量子力學神秘難解的地方，這個更深邃的理論會給我們一個清晰的解答。

我之所以敢下這個斷言，是因為自量子力學問世以來，我們已經掌握了以解開謎團、解決問題的方式提出理論的方法。在應用這個方法的過程中，我們對于客觀現實的傳統信仰不會受到挑戰，所謂的客觀現實就是指不受我們的認知和行為影響的現實，也只有這種現實才可能讓我們獲取對它的完整認知。這個客觀現實中只存在一個宇宙，我們之所以能夠觀察這個宇宙的某些性質，是因為它是真實的。這可以稱為量子世界的現實主義方法。

一種反現實主義的方法把量子力學之謎歸因于與我們獲取自然知識相關的微妙性，這種方法對與我們認識事物有關的哲學分支“認識論”提出了一些激進的觀點。現實主義方法假定我們早晚會獲得對這個世界的真實表述，因此對認識論謹慎地秉持樸素觀點。真正令現實主義者感興趣的是“本體論”，也就是關于世界的本原的研究。相較之下，反現實主義者認為，我們只有通過與世界發生相互作用才能獲取對這個世界的認知，否則，我們不可能知道世界的本原到底是什么。

我會在本書中努力消除讀者的疑慮，并證明我們完全可以用現實主義觀點來理解量子力學。所謂的現實主義觀點，即認為外部世界完全可以獨立于我們而存在這樣一種觀點。也就是說，觀察者不會對觀察對象造成任何神秘的影響，現實就在那里，完全不會受我們的意志和選擇所影響。這種現實就完全符合我們的認知，并且也只包含一個世界。

這些量子力學現實主義方法的存在本身并不意味著那些從哲學角度看更為復雜的激進理論是錯誤的，但確實意味著沒有足夠有力的科學理由促使我們相信它，因為只要現實主義是能夠實現的，那么它總會受到科學的偏愛。

那么，現實的存在依賴于我們的認知以及存在多重現實這些怪異的思想為什么會激起那么多關于量子理論的討論呢？這就是人類思想史學家應該回答的問題了。保羅·福曼（Paul Forman）是其中的一位，他把20世紀二三十年代在科學圈內占據主導地位的這種思想同玻爾與海森堡等人擁抱混亂的反現實主義哲學，以及奧斯瓦爾德·斯賓格勒（Oswald Spengler）等人在第一次世界大戰后提倡的非理性聯系在了一起。

那段歷史很迷人，但如何對其進行評判則是歷史學家們應該做的事了。我不是歷史學者，而是一名科學家，這就引出了我撰寫本書的第三大目標。

愛因斯坦認為我們應該追尋比量子力學描述得更加深邃、簡單的現實，從我這個高中輟學生第一次看到他的這種觀點之日起我就一直站在他這邊。我的物理學生涯始于閱讀愛因斯坦的自述筆記。那是20世紀50年代，他在生命的最后幾年中寫道，他仔細思考了在他看來尚未完成的物理學的兩大任務：其一是徹底理解量子物理學；其二是把這個對量子理論的新見解和引力理論（即廣義相對論）統一起來。我當時就覺得自己可以通過努力幫上點忙，雖然我很可能不會成功，但或許這里的確有些值得為之奮斗的東西。

在我閱讀愛因斯坦的自述筆記并知曉了自己的使命之后，我就發現了前面提到的那本包含德布羅意的思想的書，接著我進入了一所優秀的學院、找到了偉大的老師，并且在申請研究生院及后續深造時幸運地獲得了幾次不錯的機會。我現在的生活很精彩，作為一名前沿科學家，我有許多機會來解決愛因斯坦留下的兩大問題。

雖然時至今日我們還沒有取得成功，但是，在過去的幾十年里，我們至少在這個問題上取得了一些進展。雖然這些進步還遠未達到能夠解決問題的程度，但至少好過完全止步不前。跨越量子力學限制的理論必須克服何種障礙，我們對這個問題的了解已經比愛因斯坦深入得多。正因如此，我們提出了一些非常有趣的理論和假設，它們可能會構成我們正在探尋的更深邃理論的框架(2)。

自20世紀70年代中葉起，我就一直在思考如何超越量子力學這個問題，我從未像今天這樣對成功的前景感到興奮并抱有一種樂觀的態度。這就是我寫作本書的第三大目標：在我們探尋量子力學之外的世界的前沿陣地上，向更多讀者匯報我們的工作。