从手机中的硅片，到屏幕上的LED；从最遥远的太空探测器的核心，到超市里用来结账的激光扫描器；从太阳为什么会发光，再到我们的眼睛能看到什么。这些日常生活中我们所熟悉的一切，以及太空中发生的许多现象，都可以用物理学中的量子力学来解释。

没错，量子理论在过去取得了惊人的成就，它几乎所有现代技术背后的理论基础。尽管如此，在量子物理学的核心，依旧存在着一个深洞，我们仍然没有真正地理解它是如何描述我们周围的世界的。    

量子理论背后的数学可以对实验结果和自然现象做出难以置信的精准预测。既然能做得如此之好，那么量子理论必定抓住了与这个世界本质有关的根本且深层的真理。但是，物理学界对于它对现实的诠释、甚至能否对现实进行任何诠释一事，却存在很大分歧。

即使是最简单的事物，到了量子物理中也变得难以被解释。举个简单的例子，假如你想描述一个微小物体的位置，比如最简单也最为我们熟知的亚原子粒子——电子的位置。因为空间由三个维度组成，所以你可能想需要用三个数字来描述这个电子的位置。在日常生活中这的确如此：如果想知道一个物体的位置，就需要知晓其纬度、经度、和高度。但在量子物理学中，仅有这三个数字是远远不够的。相反，为了描述一个电子的位置，你需要散布在整个空间里的无穷多个数字。

这种数字的无限集合被称为“波函数”，因为这些散布在空间中的数通常有着平滑地变化，就像起伏的波浪一样。用来描述波函数会如何在空间中传播的方程，叫薛定谔方程，该方程于1925年由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schr？dinger）提出。波函数遵从薛定谔方程，就如同坠落的岩石遵从牛顿运动定律一样——它就像是某种自然法则。而且就像许多自然规律一样，它非常的简洁，尽管在数学上它乍看起来有些令人生畏。  

○ 薛定谔方程，其中ψ(x,t)表示波函数。关于该方程可详细阅读《量子力学的核心——薛定谔方程》。

尽管薛定谔方程非常简洁和优美，但波函数的确非常奇怪。它为什么需要这么多的信息，要动用遍布在整个空间的无穷多个数，来描述一个物体的位置？令人费解的是，当我们真正去寻找电子时，它却只出现在一个点上。而当找到电子之后，更奇怪的事情发生了：电子的波函数会暂时停止遵从薛定谔方程。相反的，它会“坍缩”，除了在找到电子的位置，其余所有无穷个数字都会变为零。

所以，究竟什么是波函数？为什么它们只在有些时候遵从薛定谔方程？明确地说，为什么它们只在没人“看着”的时候遵从薛定谔方程？这些悬而未决的问题在量子物理学的中心戳出了一个洞。最后一个问题尤其“臭名昭着”，还被有赐予了一个特殊的名称：“测量问题”。 

○ 在进行测量后，粒子会坍缩在随机的一个点上。| 图片来源：Iceberg Fernandez

测量问题似乎应该阻碍量子物理学的发展。“观看”或“测量”究竟是什么意思？对此目前还没有被广泛认同的答案。这就意味着，我们不知道薛定谔方程什么时候适用，什么时候失效。不知道这一点，我们就不知道何时该使用这条定律，何时又该把它置之不问，那我们究竟该如何使用这一理论呢？

实用的答案是，当物理学家看量子物理学时，倾向于把它看作是关于超微小物体的物理学。通常假设薛定谔方程并不适用于像桌子椅子等生活中常见的这些宏观物体。相反，作为一个实际问题，物理学家会假设这些物体是遵循牛顿经典物理学的，并且当这些物体一旦与量子世界中的微小物体相互作用时薛定谔方程就会失效。在大多数情况下，这种假设足以得到正确的答案。但几乎没有哪个物理学家真正相信这就是宇宙的实际运作方式。在过去几十年中，大量的实验显示了量子物理可适用于越来越大的物体，到现在，很少有人会对它于所有大小物体的适用性表示怀疑。确实，量子物理已被常规且成功的用于描述物理领域中最大的物体——宇宙本身。  

但是，如果量子物理真的适用于所有尺度，那么测量问题的真实解答是什么？量子世界中究竟发生了什么？从历史上看，曾经的标准答案应该是——测量问题并不存在，因为在没有人观测的时候问询发生了什么是没有意义的。那些发生在无人观测时候的事是不可观测的，从而谈论不可观测的事也就毫无意义。这种见解被称为量子物理学的“哥本哈根诠释”，以丹麦的伟大物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）的家乡命名。玻尔是量子物理学的教父，也是哥本哈根诠释背后的中坚力量。

尽管它有着是这些量子问题的默认答案的历史地位，但哥本哈根诠释并不恰当。它没有解释在量子物理的世界里正发生些什么。在关于现实性质的讨论中它也表现出顽固的沉默，它没有为量子物理为何可以运作提供任何解释，因为它无法指出这个世界有任何特征是与量子理论核心的数学结构相似的。而且对不可观测事物是无意义的宣称，无论从逻辑学或哲学角度看都是没有说服力的。至少对“不可观测”这个词的定义也不比对“测量”这个词的定义更好。因此宣称“不可观测事物无意义”是一个非常模糊的说法。这种模糊性从一开始就困扰着哥本哈根诠释。现在，“哥本哈根诠释”已成为好几个相互矛盾的量子物理学观点的集体标签。

尽管有这么多的问题，但在20世纪的大部分时间里，哥本哈根诠释在物理学界中占据绝对的优势，因为它可以让物理学家在不用担心量子理论中心棘手问题的情况下进行精确的计算。但在过去的30年中，对哥本哈根诠释的拥护受到一些削弱。据调查表明，虽然它仍受到许多物理学家的支持，但现在也有一些拥有大量支持的其他诠释。

○ 多世界诠释。| 图片来源：Max Tegmark

在这些替代方案中，其中最著名的就是量子物理学的“多世界诠释”，它指出薛定谔方程总是适用，且波函数永不坍缩。因为宇宙会不断地分裂，每一个事件的每一个可能的结果都发生在“多重宇宙”的某个地方。另一种替代方案是导航波理论（又被称为“德布罗意-玻姆理论”），它所陈述的是量子粒子在它们的运动中会受到波的引导，并且反过来粒子还可以对远处的波施加超光速的影响（尽管这不能用于发送比光速快的能量或信号）。

这两个思路为现实提供了两种截然不同的描述，但它们都与我们所知的量子力学的数学完全吻合。还有一些替代理论对量子物理的数学进行了修正，例如自发坍缩理论，它认为波函数的坍缩与测量无关，而是一个完全随机发生的自然过程。

○ 2011年，在一次会议上，有33位科学家被邀请对最喜欢的量子力学诠释进行投票。有42%的人选了哥本哈根诠释，18%的人选了多世界诠释。| 图片来源：M. Schlosshauer et al.

还有很多其他的理论。量子基础——这一解决量子理论中的测量问题和其他基础问题的领域，是一个生机勃勃且充满创造性思维的主题。虽然在量子物理学核心，那个洞仍然存在，这些难题仍待解决，但是物理学家已提出许多有趣的理论来解决这些问题了。这些想法或许可以指出物理学中其他问题的前进方向，例如，自阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）以来一直被物理学家作为终极目标的“万有理论”——量子引力理论。

虽然能否实现这一目标仍有待观察，但长久以来被哥本哈根诠释所掩盖的问题终于得到了应得的关注。而试探这个量子洞的深度，或许有助于我们探索出一个不仅对量子世界、还有对显示本质的全新视角的理解。

文：Adam Becker

译：萌大统领

原文首发于https://www.npr.org/sections/13.7/2018/03/20/595286482/the-puzzle-of-quantum-reality。略有修改，中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。

来源：原理