量子悖論只是想象嗎

量子力學(xué)是物理學(xué)中最成功的理論，從亞原子到天文學(xué)層面，它完美解釋了所有物質(zhì)的行為。不過(guò)，它也是最奇怪的理論。在量子領(lǐng)域中，粒子似乎會(huì)同時(shí)存在于兩個(gè)地方；信息的傳播速度似乎比光速還快；而貓可能同時(shí)既是死的又是活的。物理學(xué)家已經(jīng)與量子世界里顯而易見(jiàn)的悖論斗爭(zhēng)了90年—可是他們的努力收效甚微。與進(jìn)化論和宇宙論的觀點(diǎn)已經(jīng)被大眾普遍理解不同，量子理論迄今仍被看作奇談怪論（甚至許多物理學(xué)家也這樣認(rèn)為），人們認(rèn)為它是一種構(gòu)建奇妙玩意的有力工具，除此以外別無(wú)益處。大眾對(duì)量子理論的意義也深感困惑：這一理論總是迫不及待地想告訴我們一些關(guān)于我們所在世界的深?yuàn)W玩意，而這些與我們的日常生活完全無(wú)關(guān)。

實(shí)際上，在量子力學(xué)誕生之初，物理學(xué)家就把波函數(shù)的塌縮看作悖論，它也是量子理論讓人十分困擾的一個(gè)方面。這種令人心神不定的困惑，迫使物理學(xué)家發(fā)展出了量子力學(xué)形形色色的版本。最常見(jiàn)的四種解釋如下：

哥本哈根解釋

這種解釋主要由尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡創(chuàng)立，誕生于玻爾在丹麥哥本哈根的研究所，是量子力學(xué)的正統(tǒng)版本。某個(gè)系統(tǒng)（例如一個(gè)原子）可以被測(cè)量的特性，統(tǒng)稱為系統(tǒng)的量子態(tài)。量子態(tài)可以通過(guò)矩陣（類似一張表格）或波函數(shù)方程（代表概率分布圖）來(lái)描述。這一解釋通過(guò)玻恩法則與真實(shí)世界相聯(lián)系。玻恩法則由海森堡的導(dǎo)師馬克斯·玻恩提出，描述了如何計(jì)算某個(gè)給定量子態(tài)的可測(cè)量的概率。玻恩因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。在測(cè)量中，觀察者會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)塌縮為描述實(shí)驗(yàn)真實(shí)結(jié)果的新?tīng)顟B(tài)。這種立刻發(fā)生的塌縮意味著這種作用可能比光速還要快。

多世界解釋

要避免出現(xiàn)量子態(tài)塌縮的難題，最直接的方法是將它徹底排除。近年來(lái)，這一激進(jìn)的主張獲得了不少擁護(hù)者。多世界解釋假設(shè)一個(gè)世界中只有一種量子態(tài)，它平滑展開(kāi)、可以預(yù)測(cè)。比如說(shuō)，當(dāng)觀察者通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)某個(gè)電子穿過(guò)雙縫中的哪一個(gè)時(shí)，量子態(tài)并沒(méi)有塌縮到雙縫中的任意一個(gè)上，而是整個(gè)世界分裂成兩個(gè)分杈。我們，即真實(shí)世界的觀察者，留在其中一個(gè)分叉上，完全不知道另一個(gè)分叉。因此，整個(gè)宇宙像樹(shù)木一樣，伸展出無(wú)窮多的枝椏，每條枝椏都是一個(gè)真實(shí)獨(dú)立的世界，其中真實(shí)發(fā)生一種可能的結(jié)果，無(wú)窮多的枝椏涵蓋了每一種可能的結(jié)果。這一解釋除了對(duì)我們的想象力要求過(guò)高以外，最大的缺陷在于無(wú)法說(shuō)明為什么“測(cè)量”會(huì)引起世界的分裂，也難以對(duì)玻恩法則做出合理解釋。

導(dǎo)向場(chǎng)解釋

不少物理學(xué)家熱衷于重寫量子力學(xué)的數(shù)學(xué)表述，將控制粒子運(yùn)動(dòng)的真實(shí)物理力場(chǎng)包含進(jìn)來(lái)，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦也曾一度參與其中。不幸的是，推演到N個(gè)粒子的情況時(shí)，這一誘人的前景即告破滅。粒子運(yùn)動(dòng)的空間不再是我們熟悉的三維空間，而是擁有3N維度的抽象空間。更讓人困擾的是，導(dǎo)向場(chǎng)產(chǎn)生的是一種超距作用力，在這種情況下，物理作用能瞬間跨越很遠(yuǎn)的距離。

自發(fā)塌縮理論

這套理論并未排除觀察者引發(fā)的塌縮，而假設(shè)塌縮完全是自發(fā)的—每個(gè)量子系統(tǒng)中塌縮都會(huì)自然發(fā)生（雖然十分罕見(jiàn)），但是當(dāng)量子系統(tǒng)與宏觀物體相互作用時(shí)，塌縮就會(huì)變得十分顯著。不過(guò)，這套理論需要引入一整套全新的塌縮機(jī)制。在塌縮機(jī)制能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)之前，這套理論只是一個(gè)新的假說(shuō)，和它意圖取代的觀察者引發(fā)塌縮的理論一樣玄妙難解。

2001年，一個(gè)研究小組開(kāi)始探索一種新模型，這一模型將可能消除量子悖論，或者使這些悖論變得不那么令人不安。這種模型叫做“量子貝葉斯模型”，簡(jiǎn)稱為“量貝模型”，它重新解釋了波函數(shù)。

量貝模型是量子理論與概率論的結(jié)合，它認(rèn)為波函數(shù)并非客觀實(shí)在；恰恰相反，量貝模型認(rèn)為，波函數(shù)只是一本用戶手冊(cè)，一種數(shù)學(xué)工具。觀察者使用這種工具，對(duì)周圍的世界—即量子世界—作出更明智的判定。確切地說(shuō)，觀察者意識(shí)到，自己個(gè)人的選擇和行動(dòng)會(huì)以一種本質(zhì)上具有不確定性的方式影響該系統(tǒng)，因此利用波函數(shù)，將他自己對(duì)于一個(gè)量子系統(tǒng)具備某種特性的個(gè)人信念量化賦值；而別的觀察者也使用波函數(shù)，描述他自己看到的世界。面對(duì)同樣的量子系統(tǒng)，兩位觀察者可能得出全然不同的結(jié)論。對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，或者一個(gè)事件而言，有多少觀察者，就可能有多少種不同的波函數(shù)。觀察者彼此交流，修正各自的波函數(shù)來(lái)解釋新獲得的知識(shí)，于是，就有了更清晰的認(rèn)識(shí)。

波函數(shù)并非真實(shí)存在，這一觀點(diǎn)可以追溯到20世紀(jì)30年代尼爾斯·玻爾的許多著作，他是量子力學(xué)的創(chuàng)建者之一。玻爾認(rèn)為，波函數(shù)是量子理論中“純粹象征性的”形式體系的組成部分，只是一種計(jì)算工具而已。量貝模型首次為玻爾的主張?zhí)峁┝藬?shù)學(xué)支持。

從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，波函數(shù)“很可能是有史以來(lái)我們找到的最強(qiáng)大的抽象概念?！泵绹?guó)康奈爾大學(xué)的理論物理學(xué)家、最近轉(zhuǎn)投量貝模型的N·戴維·梅爾曼說(shuō)。

（更多內(nèi)容請(qǐng)見(jiàn)《科學(xué)美國(guó)人》中文版《環(huán)球科學(xué)》2013年7月號(hào)）

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