第1章
“什么才是真實的？”

20世紀(jì)的前25年，兩個震古爍今的物理學(xué)理論橫空出世，永遠(yuǎn)地改變了我們對現(xiàn)實的理解。其中，相對論的發(fā)展歷程相當(dāng)有童話色彩：驚世的天才原本已離開了學(xué)術(shù)界，卻憑借一己之力，取得了石破天驚的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。這個故事的主人公，便是愛因斯坦。

量子物理的誕生相比之下則要復(fù)雜得多。它是許多物理學(xué)家共同努力的結(jié)果，參與者數(shù)以十計，耗時近30年。愛因斯坦也是其中一員，但他并不是領(lǐng)軍人物。在這群組織松散的偉人中，如果非要說有個領(lǐng)袖的話，那可能就是丹麥物理學(xué)家玻爾了。

愛因斯坦為什么極力反對哥本哈根詮釋

量子物理創(chuàng)立初期，玻爾一手創(chuàng)建的哥本哈根理論物理研究所無疑是相關(guān)研究的圣地。在長達(dá)50年的時間里，幾乎每一位量子物理界的大人物都曾在這里研究和學(xué)習(xí)。從開創(chuàng)量子物理的基本理論，到發(fā)現(xiàn)元素周期表背后的規(guī)律，再到利用核放射材料來觀察活細(xì)胞，在這里工作的物理學(xué)家的建樹，可以說涉及了科學(xué)界的所有領(lǐng)域。

海森堡，沃爾夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli），玻恩，帕斯庫爾·約爾當(dāng)（Pascual Jordan）……玻爾和他這些高徒一起創(chuàng)立了“哥本哈根詮釋”，它很快就成為量子物理的標(biāo)準(zhǔn)解釋。量子物理跟現(xiàn)實世界有什么關(guān)系？根據(jù)哥本哈根詮釋，這個問題的答案十分簡單：量子物理跟我們生活的世界毫無關(guān)系。

哥本哈根詮釋并沒有告訴我們一個關(guān)于原子和亞原子粒子所在的量子世界的故事，而表示量子物理只是一個計算各種實驗結(jié)果概率的工具。玻爾認(rèn)為，我們不必去描述量子世界，因為“量子世界并不存在，存在的只是一個抽象的量子物理模型”。

由于量子物體并不像我們身邊的物體那樣真實存在，這個模型的用途僅限于預(yù)測量子事件發(fā)生的概率。海森堡說：“一個客觀的真實世界里，那些最微小的組成部分不可能像石頭或者樹木一樣，無論是否有人觀測都客觀存在?！笨蓪嶒灥慕Y(jié)果的的確確是真實的，因為我們通過測量它們從而創(chuàng)造了它們。

約爾當(dāng)在測量電子這樣的亞原子粒子時說：“電子是被迫做出決定的，是我們強迫它選擇了一個固定的位置。在這之前，它既不在這兒，也不在那兒。是我們通過實驗本身創(chuàng)造了實驗的結(jié)果?！?/p>

愛因斯坦覺得這些話都是無稽之談。他在給友人的信中寫道：“這個理論有點像是一個極其聰明的偏執(zhí)狂腦中的那套妄想?！睈垡蛩固挂矊α孔游锢碜龀隽司薮筘暙I(xiàn)，但堅決反對哥本哈根詮釋，并稱其是一種鎮(zhèn)靜性哲學(xué)，“相信它的人陶醉地躺在這個柔軟的枕頭上，可我完全不能被說服?！?/p>

愛因斯坦要求對量子物理做出一種解釋，講述一個關(guān)于世界的圓融統(tǒng)一的故事，即使沒有進(jìn)行測量也能回答問題。哥本哈根詮釋無法回答此類問題，于是愛因斯坦憤怒地稱它是一場“浸透了認(rèn)識論的狂歡”。

然而人們普遍忽略了，愛因斯坦追求一個更完整理論的主要原因，在于馮·諾依曼證明了這樣的理論不可能存在。馮·諾依曼可以說是當(dāng)時最頂尖的數(shù)學(xué)天才，他8歲自學(xué)微積分，19歲發(fā)表高等數(shù)學(xué)的論文，22歲獲博士學(xué)位。他在原子彈的研發(fā)中起到了至關(guān)重要的作用，更是計算機(jī)科學(xué)的奠基人之一。此外，他還精通7種語言。他在普林斯頓大學(xué)的同事半開玩笑半認(rèn)真地說，馮·諾依曼想證明什么就可以證明什么，他的證明肯定不會錯。

1932年，馮·諾依曼把他涉及量子物理的證明收錄進(jìn)自己寫的教科書中。愛因斯坦可能并不知道這個證明，但其他很多物理學(xué)家是知道的。對這些人來說，只要偉大的馮·諾依曼提出一個證明的想法就足以平息這場爭論。哲學(xué)家保羅·費耶阿本德（Paul Feyerabend）的經(jīng)歷完美地詮釋了這一點。在玻爾的一次公開演講之后，“玻爾先走了，大家繼續(xù)討論。有人對他的論點提出反對，認(rèn)為其中有許多漏洞。玻爾的擁護(hù)者沒有去梳理其中的邏輯，而是把馮·諾依曼的證明搬了出來。那一瞬間，反對的人都立馬噤了聲……只要說出馮·諾依曼的名字和‘證明’這個詞，反對的人便無話可說?！?/p>

但至少有一個人曾對馮·諾依曼的證明提出異議。德國數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家格蕾特·赫爾曼（Grete Hermann）在1935年發(fā)表過一篇反駁馮·諾依曼證明的論文。赫爾曼指出，證明中有一個關(guān)鍵步驟不夠嚴(yán)謹(jǐn)，整個證明因此不能成立。不過，這篇文章并未引起大家的注意，因為她在物理界名不見經(jīng)傳，并且是一名女性。

盡管馮·諾依曼的證明有所疏漏，哥本哈根詮釋卻依然保持著絕對主流的位置。由于極力反對哥本哈根詮釋，愛因斯坦成為大家眼里脫離時代的頑固老頭。質(zhì)疑哥本哈根詮釋幾乎就等于質(zhì)疑量子物理本身，在接下來的20年里，量子物理所向披靡，但沒有人再去探究它核心深處的未解之謎。

量子物理與牛頓的經(jīng)典力學(xué)有哪些不同

為什么量子物理需要詮釋呢？難道它不能直接告訴我們世界的真相嗎？為什么愛因斯坦和玻爾之間會有爭論呢？畢竟，他們倆都明確同意量子物理本身是成立的。如果是這樣，他們?yōu)槭裁凑J(rèn)為量子物理的理論有不同的意義？

量子物理需要被詮釋的原因在于它不是一個直接反映現(xiàn)實的理論。量子物理的計算，晦澀而復(fù)雜，跟我們身邊的世界也沒有明顯的聯(lián)系。它與它取而代之的理論—艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的經(jīng)典力學(xué)，截然不同。

牛頓的經(jīng)典力學(xué)是通過十分直觀的三維空間描述這個世界。在無外力影響的情況下，里面的物體都會一直保持直線運動；物體的位置用三個數(shù)字表示，每個數(shù)字代表一個維度，叫作“向量”（Vector）。如果我站在一個2米高的梯子上，而梯子在你前方3米，那我的位置就是（0，3，2）。

0代表我的位置垂直于梯子，沒有左右偏離；

3是我跟你之間的距離；

2則代表我在你上方2米處。

一切都非常直觀，沒人會覺得經(jīng)典力學(xué)需要什么詮釋。

但是量子物理不一樣，它的理論和計算都比牛頓經(jīng)典力學(xué)艱深得多。若想知道一粒電子的位置，三個數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我們需要無限多的數(shù)字。量子物理用來描述這個世界的，是一種叫作“波函數(shù)”（Wave Functions）的無窮個數(shù)字的集合。這些數(shù)字被一一分配到不同的位置，空間里的每一個點都有屬于自己的編號。

如果你的手機(jī)上有個應(yīng)用可以測到單個電子的波函數(shù)的話，屏幕上只會顯示一個數(shù)字，這個數(shù)字被分配到你手機(jī)所在的位置；你現(xiàn)在坐的地方在這個波函數(shù)測量儀上可能會顯示為5，順著這條路再走半個街區(qū)可能就是0.02。籠統(tǒng)地說，波函數(shù)就是一組對應(yīng)著不同位置的數(shù)集。

在量子物理中，每個物體都有屬于自己的波函數(shù)。這本書有，你坐的椅子有，你自己有，你周圍空氣里的原子，以及這些原子里所有的電子和其他亞原子粒子也都有。我們可以通過薛定諤方程并根據(jù)物體的波函數(shù)來推斷它們的行為。

為什么薛定諤方程只在沒有測量行為時成立？

薛定諤方程是量子物理的核心方程，由奧地利物理學(xué)家薛定諤于20世紀(jì)20年代中期提出。根據(jù)薛定諤方程，波函數(shù)不能發(fā)生瞬時變化。換言之，波函數(shù)分配給某個位置的數(shù)字不能瞬時從5變成500，而是要一點點地從5.1到5.2再到5.3這樣慢慢過渡。波函數(shù)的數(shù)字可增也可減，就像波浪一樣，波函數(shù)因此得名。不過，它們的走勢總是均勻平滑的，不會驟增驟降。

波函數(shù)本身并不十分復(fù)雜，但量子物理需要用到它，這件事本身就有些奇怪。經(jīng)典力學(xué)用三個數(shù)字就能描述物體的位置，而量子物理卻需要動用無數(shù)個數(shù)字來描述一個電子的位置。也許是電子的性質(zhì)比較特別吧，畢竟它們跟石頭、椅子還有人類不大一樣。可能它們的位置比較模糊，需要用波函數(shù)來界定它們震動的范圍。

但事實證明，這不可能是正確的。沒有人在一個界定明確的地方看到過半個電子，或者任何一個小于完整電子的東西。波函數(shù)并不能告訴我們某個地方有多少個電子，它告訴我們的是在那個地方找到電子的概率。量子物理做出的預(yù)測通常都是一個概率，而不是明確的數(shù)量。這一點也有些匪夷所思，因為薛定諤方程完全是確定性的，根本不包含概率。在任意情況下，薛定諤方程都可以準(zhǔn)確地算出任意波函數(shù)的具體形式。

說起來這也不完全正確，事情怪就怪在我們一旦觀察到了電子，它的波函數(shù)就會發(fā)生變化。它將不再遵循薛定諤方程，而是立馬坍縮。在我們觀察到電子的那個位置之外的所有位置，這個波函數(shù)所有的數(shù)值都會瞬間為0。

換言之，這個物理定律會被測量行為影響。一旦我們開始測量，薛定諤方程就會在測量過程中作廢，而除了被觀察到的那個隨機(jī)點外，其他點相應(yīng)的波函數(shù)都會發(fā)生坍縮。這件事著實很奇怪，因而被特別命名為“測量問題”（見圖1.1）。

為什么薛定諤方程只在測量行為沒發(fā)生時成立呢？這好像有違自然規(guī)律吧？自然規(guī)律難道不應(yīng)該是任何時候都成立的嗎？不管有沒有人在旁邊看，楓葉該掉還是會掉，而地心引力也不在乎有沒有人在觀察。

那或許量子物理真的不一樣吧?；蛟S量子世界的規(guī)則會被測量行為打破。這聽上去有些詭異，但并非不可能?？杉幢阏媸沁@樣，它也不能完全解決量子測量問題，因為新的問題又來了—什么行為算是測量行為呢？是不是必須有一個測量者？量子世界的存在與否取決于是否有測量者嗎？任何人都能讓波函數(shù)坍縮嗎？測量者是需要保持清醒的意識，還是昏迷的人也能做到？新生嬰兒可以嗎？這是僅限于人類，還是黑猩猩也能做到？

愛因斯坦曾設(shè)問：“如果有只老鼠在觀察這個宇宙，這會改變宇宙的量子狀態(tài)嗎？”貝爾也問道：“在單細(xì)胞生物出現(xiàn)之前，整個世界的波函數(shù)是不是等待了數(shù)億年？還是說，光是單細(xì)胞生物還不夠，得等到有物理學(xué)博士學(xué)位的人出現(xiàn)才行？”

如果說測量行為跟活著的觀察者無關(guān)，那它到底跟什么有關(guān)呢？是不是只要有一個不受量子物理定律控制的宏觀物體來觀測一個受到量子物理定律控制的微觀物體就夠了？這不就意味著幾乎時時刻刻都有測量行為在發(fā)生嗎？也就是說，薛定諤方程幾乎無法成立吧?？伤置魇浅闪⒌陌。≡僬撸孔拥摹靶　笔澜绾团ｎD的“大”世界之間，邊界到底在哪里？

沒有量子物理，就不懂如何制造芯片

基礎(chǔ)物理學(xué)的核心中居然有這么一個布滿疑點的潘多拉盒，著實令人不安。然而，盡管有種種奇怪之處，量子物理卻無疑是個十分成功的理論。牛頓的經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)相當(dāng)不錯了，而量子物理還要更勝一籌。沒有量子物理，我們就不會明白鉆石為什么如此堅硬，原子由什么構(gòu)成，也不會知道怎樣制造電子器件。

這么說來，遍布于整個宇宙的波函數(shù)跟我們身邊的世界必然緊密相關(guān)，不然量子物理的預(yù)測怎么能如此準(zhǔn)確？既然如此，找出量子測量問題的答案便是一件緊迫的事。只要這個問題還沒解決，我們對真實世界的認(rèn)識就仍有欠缺。

我們應(yīng)該怎么來解釋這個怪異而奇妙的理論？它到底在講述著怎樣的故事？這個問題聽起來就十分復(fù)雜，與其去直面問題，我們不如干脆提出問題并使其不成立。我們可以聲稱，量子物理學(xué)的目的只是預(yù)測實驗結(jié)果。這樣一來，我們就不用去管我們沒有測量的時候發(fā)生了什么，所有復(fù)雜的問題都消失了。

什么是波函數(shù)？它跟我們身邊的物體有什么關(guān)系？很簡單嘛，我們只要把波函數(shù)看作一個數(shù)學(xué)模型就好。它只不過是個能讓我們預(yù)測測量結(jié)果的數(shù)學(xué)工具，跟我們身邊的世界沒有任何直接關(guān)系。

波函數(shù)在沒人觀察時有什么行為都不重要，因為在兩次測量之間發(fā)生的一切都不重要。甚至在此時談?wù)撌挛锏拇嬖谝彩遣豢茖W(xué)的。以上這些讓人摸不著頭腦的說法居然就是量子物理界的主流看法—哥本哈根詮釋這個“柔軟的枕頭”。

這些看似簡單的答案引出了另一個問題，一個沒有明顯解決方案的問題。物理是關(guān)于物質(zhì)世界的科學(xué)，而量子理論則宣稱自己是支配這個世界的最基本組成部分的物理學(xué)。然而哥本哈根詮釋提出通過量子物理去探尋世界的真相沒有意義。那么，什么才是真實的呢？對此，哥本哈根詮釋只是報以沉默，一臉不滿地看著那個莽撞的提問者。

無論如何，這都不是一個令人滿意的答案，可它偏偏就是標(biāo)準(zhǔn)答案。而探索這個問題的物理學(xué)家，包括愛因斯坦，以及后來的貝爾和玻姆，都公開反對哥本哈根詮釋。因此，對真實的探尋也是一個關(guān)于反抗的故事。這種反抗從量子物理誕生之初就開始了。