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作者：张君睿（北京大学物理学院）
量子物理让我们对这个世界的理解有了天翻地覆的改变。图片来源：TheDigitalArtist @Pixabay
在量子力学诞生以后，我们对于世界的理解从原先的本体论（ontology）变成了认识论（epistemic）。
让我们先来回顾一下历史。 这一切要从马赫（Ernst Mach，1838/2/18－1916/2/19）讲起。他认为科学的目的本来就不是探寻什么真理，科学只是想要找到一种“最经济的思想”。例如，当我们想要描述自由落体时，一个方法是收集大量的自由落体实验数据，从而发现这些数据间的一致性；我们也可以采取另一个方法，寻找背后的物理定律，比如速度的变化是常数。
对于马赫而言，第二种方法更好，只是因为它更“经济”，只需写出一条式子就解释了很多同类的现象。但对于“认识”这个世界如何运行而言，两种方法是等价的。科学是用最少的脑力来解释最多可能的事实，我们认为某条物理定律是有价值的并非因为它是“对的”、是“真理”，仅仅是因为它可以很简洁地解释我们观察到的事实。
马赫的这种哲学观念影响了20 世纪许多科学家，包括爱因斯坦、海森堡、泡利、费曼……，注意这里没有列出玻尔，这是因为玻尔有另一种哲学思想。爱因斯坦终其一生都不能接受量子力学的不确定或非实在性，我现在觉得有这种想法非常合理，肯定没有人能彻底明白量子力学究竟是怎么回事，大家都只是记下了数学怎么操作然后就开始做研究，对于背后的规律都避而不谈。
玻尔曾说：“如果你没有被量子力学所困惑，那就代表你根本没有彻底了解它。”[1] 费曼也认为：”我几乎可以说没有人能了解量子力学。”[2]
我们通常都倾向于相信存在一个实质的外在世界，它本来就存在那里。当我们说想要“描述”这个世界时，其实已经默认说有个世界等着我们去描述。这种想法并不能被证实，我们只是“相信”了这件事。爱因斯坦认为：“相信有个独立于感知主体的外在世界是所有自然科学的基础。”[3] 自古以来科学家们都认为这个外在世界有一些实质的状态等待我们去发掘，而科学的目的就是去完善那些告诉我们世界如何组成和演化的知识。尽管科学的方法需要观察和测量来达到此目的，但我们相信这些被描述的“物理实在”是独立于操作手段而存在的。
正如爱因斯坦所说：“物理学就是在尝试从概念上理解现实，且它独立于被观察的事物。”[4] 然而量子力学不允许有独立于观测存在的物理实在。  一切的“存在”与“样貌”都取决于“是否可以测量”？ 1927 年第五次索尔维会议参与者，摄于国际索尔维物理研究所。 第一排：欧文·朗缪耳、马克斯·普朗克、玛丽·居里、亨德里克·洛伦兹、阿尔伯特·爱因斯坦、保罗·朗之万、查尔斯·古耶、查尔斯·威尔森、欧文·理查森 第二排：彼得·德拜、马丁·努森、威廉·劳伦斯·布拉格、亨德里克·克雷默、保罗·狄拉克、阿瑟·康普顿、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、尼尔斯·波尔 第三排：奥古斯特·皮卡尔德、亨里奥特、保罗·埃伦费斯特、爱德华·赫尔岑、西奥费·顿德尔、埃尔温·薛定谔、维夏菲尔特、沃尔夫冈·泡利、维尔纳·海森堡、拉尔夫·福勒、莱昂·布里渊。摄影：Benjamin Couprie @wiki
爱因斯坦曾和年轻时的海森堡有过一次对谈，爱因斯坦提到：“原则上，由观察到的数值来建立一个理论是不对的。实际上往往相反，反而是你用的理论决定你能观察到什么。”[5] 这个想法一直在海森堡的心中，后来他提出了不确定性原理。海森堡说：“在原子尺度时，物理学家只该考虑可测量量。”[6] 他认为在量子尺度时，我们只能考虑能被测量的量。这是什么意思呢？
当量子还在建立阶段时，古典的物理学家都质问他们：“你看你们的理论一点都不好，因为它不能回答粒子的实际位置是什么、或是在干涉实验中粒子究竟穿过了哪个孔，或诸如此类的问题。”
海森堡却说：“我不需要回答这类问题，因为你无法由实验的方法问这个问题。”[7] 我们不需要回答这种问题，因为每个在物理中使用的概念都需要有个可操作的定义，除非我们可以指出它要怎么被测量，否则我们不允许谈论某个概念。
玻尔的互补原理 在这之后，玻尔提出了互补原理，他认为不能用单独一种概念来完备地描述整体量子现象，为了完备地描述整体量子现象，必须将分别描述波动性、粒子性的概念都囊括在内。这两种概念可以视为同一个硬币的两面。互补的两件事情（例如波粒二象性或位置动量不确定性）无法被同时观察到，不可能在某一时刻看到波动和粒子两种性质。所以当我们想要描述量子行为时，必须同时考虑波动和粒子两种观点，不可能用单一种概念来描述整个量子现象。
因此在这个基础上，他认为人们原先无法解释电子干涉图样中出现既有粒子又有波的现象，只是互补的两面，而这两种概念都不能被舍弃。波动和粒子两种描述都是必要的，它们适用于不同的条件，两种概念是互补而非互斥的。
他说：“由不同实验条件下得到的结果无法被单一图像包含，它们必须被认为是互补的，因为只有总体的现象能够彻底探讨关于这些对象的可能信息。”[8] 我们必须放弃以往只用单一模型来描述物理概念的这种想法，玻尔认为海森堡发现的不确定原理是更深刻的互补原理的一种表现。玻尔甚至把互补原理和东方的“阴／阳”联系起来，还在自己的墓碑上刻了一个太极符号，他领悟到一项真谛：没有一种角度可以穷尽真实，不同的观点可能都有价值，却是互相排斥的。
玻尔的墓上甚至有一个互补的阴阳的符号。 图片来源：By Kim Bach ，CC BY-SA 4.0 , from Wikimedia Commonswiki
在量子力学建立后，物理学家对于世界的认识有了革命性的改变。以往视为理所当然的物理实在现在出问题了，因为从互补原理可以得知用不同的仪器观测同一物体竟然会出现不同的现象。我们只能透过仪器来认识这个世界，而由不同的仪器所看到的世界也是不同的。 玻尔认为：“并不存在量子世界。只有一个抽象的量子物理描述。认为物理学的任务是弄清楚自然是怎么回事是不对的。物理学只关注我们对自然的看法。”[9] “描述世界”这件事只是在融合我们经验中的客观事件，客观的外在世界根本就不存在，一切实验只是客观世界在我们的主观意识上的投影。爱因斯坦的本体论观点认为科学的任务是要描述自然的“本质”；但玻尔的知识论观点则认为科学的任务是描述我们“怎么了解自然”，也就是所有可能的感知与实验的综合结果。 这听起来还是很抽象，我们以不确定原理为例，本体论观点会告诉你：“一个电子不能同时‘拥有’确切的位置和确切的动量。”而知识论观点则会说：“不可能同时‘知道’电子确切的位置和动量。”我不在乎有没有，我只能说测不了，没法设计某种实验同时测到位置和动量。
我们能观察到的世界是我们认知世界的“投影”？那什么才是真实？或者根本没有真实？图片来源：pixabay
玻尔和海森堡都同意物理研究的目的是促进我们对于观察到的自然现象的了解。那究竟什么是了解世界呢？海森堡依然受到马赫的影响，他认为：“了解”代表找到一个数学方法，而只要按照这些方法就可以成功的预测实验结果。但对玻尔而言，“了解”有更深刻的意义：它代表对于观察到的现象的一种“描述”。
举个例子，如果有人问：电子是什么？我们应该回答电子什么也不是，更精确地说，除了被测量的时候，电子实际上并不存在；没被测量时，电子只是一堆潜在可能性的叠加（我们对存在的定义就是能够和你产生相互作用，比如暗物质，要想感受到它的作用就得做测量）。在测量前，电子有可能在甲处也有可能在乙处，而当真的进行了测量之后，电子只可能在甲处或在乙处被发现。玻尔否定本体论的阐述，在他看来，既然两种互补的表述已经穷尽我们能对自然的了解，那就不需要再说更多了，现在我们不在乎本质是什么，我们只在乎可不可测。
以不确定原理为例，本体论的观点是： “在某一时刻，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。”
而知识论的表述则更繁琐： “在某一时刻，如果对位置和动量‘同时进行测量’，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。”
从现在开始，我们不能再谈论那些无法被测量的事情了，若想要谈论某个概念，我们就必须先设计出一个实验来测量它，否则此概念就没有任何意义。如果有人想问某个定律背后的机制是什么，比如问原子内部是否有轨道，氢原子能级是否真的是电子在轨道间跃迁，或是电子的自旋是否真的是某种超光速的自转所产生，我们只能回答“这些问题毫无意义”。如果你不能设计某种实验来验证这种猜测，没有人可以给你任何更深刻的描述。我们不知道有任何更基本的机制可以拿来推导出这些结果。担心某件在原则上不能被验证的事情是“物理之外”（metaphysics ，既形而上学）的管辖了。泡利曾说：
“和讨论一个针尖上能坐多少个天使的远古问题一样，我们无需为某些我们根本无法知道的事情费脑筋。”[10]
一个针尖可以坐几个天使？这真的值得好好思考…… 图片来源：pixabay
这世界是否可以用量子力学来描述？ 玻尔回答：“当然不是！量子力学并没有解释自然，它描述了我们对自然的看法。”[11] 但海森堡则认为：“当然！量子力学告诉我们微观世界是怎么回事，它们原先是一些可能性，在测量后会变成实际的。”[12] 那究竟谁的想法更好？哥本哈根学派认为物理实在对于像“动量”或“位置”这种物理量，在测量它们之前并没有确切的值。爱因斯坦会问在测量前的瞬间粒子是否有确切（虽然我们不知道）的位置，他甚至提出，对于这种问题我们只能回答：没有、我们不知道、这问题没有意义。
这革命性地改变了人类对于世界的了解。曾经我们认为可以无限精确地探索世界，原子只是比较小的东西而已，遵循的物理规律跟宏观物体一样，但现在则发现用不同仪器所观测到的世界也大不相同。客观世界不再存在，主观操作决定了我们能看到什么。
让物理学家困扰的塌缩不确定机率性 我们必须来谈谈测量和塌缩。在量子力学里，量子态可以用波函数（wave function）来描述，概念有点像是震动的弹簧在不同的时间里有不同的形状；薛定谔方程式则用来计算波函数如何随着时间而变化。波函数塌缩指的是，在量子力学体系中与外界发生某些作用（如测量或观察）后，波函数会发生突变：由原先若干本征态的叠加在测量后塌缩到单一本征态。
波函数塌缩，也就是“量子态经过测量受影响其结果”这概念困扰了无数的物理学家。曾经有位史丹佛的年轻教授在量子力学课的头两周试图探讨测量问题，结果却被系上资深的教授批评说：“你这么做是有害的，学生们不需要了解量子力学的建立，这些都无用，只要让他们会算就行了。”而朗道在他的书中试图给测量一个数学定义（第一类测量和第二类测量），但依然避不开塌缩这个概念。虽然他整本书中都不曾出现“塌缩”这个词，然而他指出“当量子客体和经典仪器相互作用后， 原先展开的完备集就只会剩下一项被读出来，选中任何一项的机率是它的系数之模平方”。这其实就是在说测量后波函数会塌缩至某一本征态。朗道已经算是比较良心了，至少愿意谈一下测量，更多的教科书直接把测量当作只可意会不可言谈之事，而像是“退相干”（decoherence，另一个对于塌缩的解释，俗称“波函数坍缩效应”，是量子力学的基本数学特性之一）这种较现代的概念更是绝口不提。
我们为何不喜欢塌缩，最直接的原因就是其中具有机率的概念，物理学家们一向认为我们只要掌握所有定律就能预知未来，像拉普拉斯就是一位决定论支持者，他提出： “我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。加入一位智者能知道在某一时刻所有促使自然运动的力和所有组构自然的物体的位置，假如他也能够对这些数据进行分析，那么在宇宙里，从最大的物体到最小的粒子，它们的运动都包含在一条简单公式里。对于这位智者来说，没有任何事物会是含糊的，并且未来只会像过去一样出现在他眼前。” 爱因斯坦熟读斯宾诺莎并深受他的哲学影响，斯宾诺莎在《伦理学》中对神的看法是，他认为神是决定论宇宙的一环，没有任何事情是偶然发生的。爱因斯坦从斯宾诺莎思想的精神中发展出一套决定性本质的概念，认为万物规律受到严格的法则所规范。
薛定谔由哈密顿建立的光学方法得到了德布罗伊物质波波函数，但薛定谔方程依然符合决定论，我们只要知道某一时刻的波函数，就可以推出未来任一时刻的波函数，如果你高兴的话也可以往过去推。薛定谔一直认为这波函数是在描述物质波，但他却无法解释电子所分布的范围竟会越来越大这种诡异现象。后来玻恩提出模平方是找到电子的机率。但这导致向来有明确因果关系的物理竟然跑出来不确定的机率，大部分科学家都对此无法接受，其中也包括薛定谔本人与爱因斯坦。
所以薛定谔才提出猫的思想实验来反讽，按机率理论猫会处于既死又活的莫名状态，而爱因斯坦也在当年十二月写给玻恩的信中写下著名的“上帝不掷股子”。
把一只猫、一个装有氰化氢气体的玻璃烧瓶和放射性物质放进封闭的盒子里。当盒子内的监控器侦测到衰变粒子时，就会打破烧瓶，杀死这只猫。根据量子力学的哥本哈根诠释，在实验进行一段时间后，猫会处于又活又死的叠加态。可是，假若实验者观察盒子内部，他会观察到一只活猫或一只死猫，而不是同时处于活状态与死状态的猫。这事实引起一个谜题：到底量子叠加是在什么时候终止，并且塌缩成两种可能状态中的一种状态？ 图片来源：Dhatfield [CC BY-SA 3.0] via wikipedia  “观察者”的存在，影响了测量结果？这科学吗？ 塌缩的机率性破坏了古典决定论，爱因斯坦始终认为这种不确定性只是因为量子力学不够完备所致，还提出隐变量理论来试图解释。 温伯格也质问： “既然薛定谔方程能确定任何时刻的波函数，如果观察者及其测量仪器本身都是由决定性的波函数所描述的，为什么我们不能准确预测测量结果，而只能知道机率？ 作为一个普遍的问题：如何建立量子与古典现实之间的对应关系？”[13] 还有,究竟是什么导致了塌缩？是人类的意识吗？我们是否只能透过测量来观察这个世界？
“当我们不看月亮时，月亮是否还在那？”
当我们不看月亮时，月亮是否还在那？如果森林中有棵树倒了，没有人在场聆听，那么会有声响吗？图片来源：flo222 @Pixabay
举个具体例子，如果森林中有棵树倒了，没有人在场聆听，那么会有声响吗？如果真实的森林中有一棵真实的树倒下了，那么即便没有人在附近，声音当然还是会出现。即使没有人在场听到，还是会有其他的蛛丝马迹，声响透过空气会摇晃一些树叶，我们只要够仔细，就会发现荆棘划过叶子而留下了割痕。如果问：是否有声音的“感觉”呢？答案是没有。照理讲，声音的感觉是和认知连接在一起的， 我们不知道别的生物是否有知觉。
也有人说塌缩是经典客体（如观察仪器、观察者）和量子客体（被测量的量子）相互作用后的结果，此过程完全不需要一位实验操作者存在。但如果有本质论的物理法则存在，一个经典客体哪来的魔力去塌缩波函数呢？宏观和微观的分割线又是什么？量子力学非常“畸形”，它在进行定义时竟然需要用到作为自身极限情形的经典仪器，颇有种剪不断理还乱的感觉，不像相对论可以完全抛弃自身极限的牛顿体系独立存在。
诺贝尔奖得主莱格特就说：“如果说塌缩是由有意识的观察者所导致的会不会更好？”[14] 其实量子力学初建立时，人们对测量理论的看法就有所分歧，玻尔认为测量是微观系统和宏观仪器相互作用的结果，海森堡认为测量是指留下一个永久的“纪录”，而维格纳认为当一位有意识的观察者介入后才算完成了测量。
和经典的“测量”不同，量子中的“测量”行为是创造性的，它简直创造了被测量的物理实在。约当（矩阵力学的三位创始人之一，因为加入纳粹党没获诺贝尔奖）就宣称： “观测不仅会干扰被观测量，而且产生了它！我们强迫电子出现在特定的位置。一般来说，原先它既不在这也不在那，它尚未决定一个确切位置……每一次观察不仅仅是一种干扰，而是一种尖锐的侵犯：我们自己产生了测量结果。”[15]
唯心主义者认为塌缩是由人类的意识所造成的，但猫狗或是昆虫是否拥有意识，能否引发波函数的塌缩，他们却不愿意继续探讨。曾有物理学家问狄拉克塌缩是如何产生的，他回答：“自然会自己做出选择。”那究竟大自然是怎么做出选择的呢？他又说：“当机率不再有干涉时。”这想法就是后来的量子退相干。退相干能够解释为什么不会观察到干涉现象，但是退相干能否解释波函数塌缩的后果，这议题至今仍旧存在巨大争议。退相干是一种标准量子力学效应，它不是一种量子力学诠释，而是利用量子力学分析获得的结果。
如霍金所说：“在鱼缸里的金鱼感知到的‘现实’并不真实，因为弯曲的表面会让金鱼眼中的‘现实’世界变得扭曲。金鱼看见的世界与我们所谓的‘现实’不同，但我们怎么能肯定它看到的就不如我们真实？就连我们自己终其一生，也在透过一块扭曲的镜片（望远镜）打量周遭的世界呢。”pixabay
关于物理学，我们还不了解的是……
爱因斯坦认为有个客观的物理实在，不同观察者都从自己的角度看问题；而玻尔则认为对于想要研究的问题不同，观察者会设计各种相异的实验，而这些实验创造了物理实在。最后贝尔不等式的实验验证为这场世纪辩论带来终结，宣告玻尔是对的，测量的过程创造了一个特定的结果。粒子在对它进行测量之前没有一个确定的位置，是测量的过程给出了一个具体数值，测量“创造”出了一个结果。
这种挺像魔法的“仪器创造说”不太令人满意，但是维格纳的唯心论想法也有荒谬之处，以薛定谔的猫为例，是你“看的行为”看死了猫，而非毒药，这变得非常荒谬，宏观事件的线性组合会非常奇怪。现在人们普遍接受的说法是：测量的本质是某些宏观体系受到了影响，在测量发生的时刻，宏观体系与微观体系相互作用，并留下一个永久记录。宏观体系不允许处于由不同态所构成的线性组合的态，当然宏观和微观之间并没有明确的分割线，但是由退相干理论，在极短的时间内它就会回到普通的经典态。
最后以海森堡的一段话为量子力学作结尾： “我们不能再独立于观察过程来谈论粒子的行为。作为最后的结果，量子理论中的数学法则不再处理粒子本身，而是我们对于粒子的了解。也不能再客观地询问这些粒子是否在空间和时间上存在。科学不再是自然界的客观观察者，而是将自己视为人与自然之间相互作用的演员。分析、解释、分类的科学方法已经意识到了它的局限性。方法和对象不能再分开。”[16] 这大概要说的就是哥本哈根学派的瑕疵，我们应该对测量的本质和波函数的塌缩有更深刻的理解。 注释：
参考资料：
本文经授权转载自泛科学（pansci） |
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