（圖源：Matt Valentine/cerncourier.com）
撰文 | 張?zhí)烊?/span>
編輯 | 小賽
量子力學(xué)詮釋的問題，一定程度上是與若干哲學(xué)問題相關(guān)的。物理與哲學(xué)，探索的都是世界的本源問題，因此，最早期的物理學(xué)家，同時又是偉大的哲學(xué)家。此外，幾乎所有的物理學(xué)大師到了晚年都會走向哲學(xué)思維，溫伯格的思想轉(zhuǎn)變也可算作一個例子。溫伯格的困惑
著名理論物理學(xué)家Steven Weinberg從2016年開始，多次提到他對量子力學(xué)的不滿。除了2016年《環(huán)球科學(xué)》的文章[1]之外，還包括他2017年和2018年作的演講，以及今年1 月19日他為紐約書評寫的一篇文章。溫伯格在這些公開場合，表達了他作為一個資深物理學(xué)家，對量子物理未來前景的困惑和擔(dān)憂。
在量子力學(xué)的發(fā)展過程中，不乏提出質(zhì)疑的物理大師，愛因斯坦就是最著名的一個，當(dāng)初持懷疑態(tài)度的還有普朗克、德布羅意和薛定諤。他們都是赫赫有名的量子力學(xué)創(chuàng)始人：普朗克為解決黑體輻射難題，率先打響了第一炮；之后，愛因斯坦提出光量子以解釋光電效應(yīng)；然后，波爾的原子模型，以及德布羅意的物質(zhì)波和薛定諤的波動方程，為量子論的建立奠定了重要的理論基礎(chǔ)。
另一方面，絕大多數(shù)物理學(xué)家，甚至也包括上述抱質(zhì)疑態(tài)度的大師們，都一致認為量子論對人類社會做出了杰出的貢獻。量子力學(xué)被認為是自然科學(xué)史上被實驗證明了的最為精確的理論，它是我們理解原子、原子核、電磁性、以及半導(dǎo)體、超導(dǎo)，等微觀現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。
那么，量子論到底怎么啦？既然已經(jīng)取得了巨大成就，高科技產(chǎn)品中隨處可見其應(yīng)用，但為何又爭議不斷，眾說紛紜呢？原來，人們對量子論的分歧不在計算結(jié)果，而是在于不同的詮釋。如果不管這點，只要我們遵循一個原則：“閉上嘴，用心計算！”那便萬事大吉，無論哪派的物理學(xué)家，都能學(xué)會程式化地使用抽象復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法，對各種微觀系統(tǒng)進行研究和計算，給出準(zhǔn)確的結(jié)果。例如，量子力學(xué)對某些原子性質(zhì)的理論預(yù)測，被實驗驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性達到108分之一！
對量子理論詮釋的認識有一個過程，溫伯格說，他曾經(jīng)同大多數(shù)物理學(xué)家一樣，認為量子力學(xué)只要實用就夠了，無需深入探討其基本概念和含義，但最近幾年，他對量子力學(xué)的各種詮釋越來越不滿意，呼吁物理學(xué)家找到新的理論來解釋量子力學(xué)中存在已久的問題。從這個意義上，溫伯格明確地站到了當(dāng)年愛因斯坦和薛定諤的那一邊！
決定論面臨破產(chǎn)
量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)之不同，可以從它們對粒子（比如電子）運動的描述為例來說明。在牛頓力學(xué)中，粒子用它的“運動軌跡”來描述。所謂軌跡，是粒子的空間位置隨著時間變化的一條“曲線”。經(jīng)典粒子，一個時刻出現(xiàn)于一個空間點，這些點連接起來成為一條線，即粒子的軌跡。而在量子力學(xué)中，電子表現(xiàn)出“波粒二象性”，量子力學(xué)用波函數(shù)描述（一個）電子的運動。波函數(shù)是同時在空間每個點都有數(shù)值，類似于彌漫于整個海洋中的水分子密度。這就有了問題：一個電子怎么會同時出現(xiàn)于空間的每一個點呢？
為了回答上面的問題，物理學(xué)家一般將波函數(shù)解釋為概率波。對此，我們又回到溫伯格之困惑。有關(guān)概率波，他有一段話發(fā)人深思：概率融入物理學(xué)使物理學(xué)家困擾，但是量子力學(xué)的真正困難并非概率，而是這概率從何而來？描述量子力學(xué)波函數(shù)演化的薛定諤方程是確定性的波動方程，本身并不涉及概率，甚至不會出現(xiàn)經(jīng)典力學(xué)中對初始條件極為敏感的“混沌”現(xiàn)象。那么，量子力學(xué)中反映不確定性的概率究竟是怎么來的呢？
溫伯格的疑問貌似數(shù)學(xué)問題，但細究數(shù)學(xué)方面并無問題。薛定諤方程是線性的，如使用坐標(biāo)表象，在一定的初始和邊界條件下，它的解（波函數(shù)）是時空的確定函數(shù)。產(chǎn)生不了混沌，也不涉及任何概率。問題來自于如何解釋這個彌漫于整個空間的“波函數(shù)”？如何將它與電子的運動聯(lián)系起來？波函數(shù)表示的物理圖像不可能是電子的電荷在空間的密度分布。叫人如何想象一個在經(jīng)典理論中被看作一個“點”粒子的“實體小球”，到量子力學(xué)中卻成了分布彌漫于全空間的東西？這種說法就連提出此解釋的薛定諤本人也不能接受。
想來想去，比來比去，還是波恩的概率解釋比較靠譜，因而被大多數(shù)物理學(xué)家所接受。波恩認為波函數(shù)是概率波。其模的平方代表粒子在該處出現(xiàn)的概率密度。
也就是說，人們使用概率解釋，似乎仍然可以將電子想象成一個類似的經(jīng)典小球（這使我們得到一點安慰），只不過我們不能確定這個小球在空間的位置，只能確定它在某點出現(xiàn)的概率！
（圖源：ck12.org）
于是，人們不再思考波函數(shù)，而轉(zhuǎn)向思考概率，概率是什么呢？當(dāng)然是從琢磨經(jīng)典定義的“概率”開始。概率給世界帶來了不確定性，它可以定義為對事物不確定性的描述。
然而，在經(jīng)典物理學(xué)的框架中，不確定性是來自于我們知識的缺乏，是由于我們掌握的信息不夠，或者是沒有必要知道那么多。比如說，當(dāng)人向上丟出一枚硬幣，再用手接住時，硬幣的朝向似乎是隨機的，可能朝上，可能朝下。但按照經(jīng)典力學(xué)的觀點，這種隨機性是因為硬幣運動不易控制，從而使我們不了解（或者不想了解）硬幣從手中飛出去時的詳細信息。如果我們對硬幣飛出時每個點的受力情況知道得一清二楚，然后求解宏觀力學(xué)方程，就完全可以預(yù)知它掉下來時的方向了。換言之，經(jīng)典物理認為，在不確定性的背后，隱藏著一些尚未發(fā)現(xiàn)的“隱變量”，一旦找出了它們，便能避免任何隨機性?；蛘哒f，隱變量是經(jīng)典物理中概率的來源。
那么，波函數(shù)引導(dǎo)到量子物理中的概率，是不是也是由更深一層的“隱變量”而產(chǎn)生的呢？
這個問題又使得物理學(xué)家們分成了兩大派：一是愛因斯坦為首的“隱變量”派，認為“上帝不會擲骰子！”，一定是隱藏于更深層次的某些隱變量在起作用，使得微觀世界看起來表現(xiàn)出不確定性。另一派則是以波爾為首的“哥本哈根學(xué)派”，他們認為不確定性是微觀世界的本質(zhì)，沒有什么更深層的隱變量！正是這個分歧，導(dǎo)致了愛因斯坦和波爾之間的“世紀(jì)之爭”。
1935年，愛因斯坦針對他最不能理解的量子糾纏現(xiàn)象，與兩位同行共同提出著名的的EPR佯謬[2]，試圖對哥本哈根詮釋做出挑戰(zhàn)，希望能找出量子系統(tǒng)中暗藏的“隱變量”。
愛因斯坦質(zhì)疑量子力學(xué)主要有三個方面：確定性、實在性、局域性。這三者都與 “概率之來源”有關(guān)。如今，愛因斯坦的EPR文章已經(jīng)發(fā)表了80余年，特別在約翰·貝爾提出貝爾定理后，愛因斯坦的EPR悖論有了明確的實驗檢測方法。然而，令人遺憾的是，許多次實驗的結(jié)果并沒有站在愛因斯坦一邊，并不支持當(dāng)年德布羅意-玻姆理論假設(shè)的“隱變量”觀點。反之，實驗的結(jié)論是：沒有隱變量，不確定性是世界的本質(zhì)。
量子力學(xué)創(chuàng)始人之一的海森堡，給出了微觀世界的不確定性原理。這個原理表明，粒子的位置與動量不可同時被確定，位置的不確定性越小，則動量的不確定性越大，反之亦然。不確定性原理被無數(shù)實驗所證實，這是微觀粒子內(nèi)秉的量子性質(zhì)，反映了世界不確定的本質(zhì)。
世界本質(zhì)上是不確定的，這個結(jié)論使得當(dāng)年拉普拉斯有關(guān)決定論的宣言變成了一個笑話。實際上，我們仔細想想，還是非決定論容易理解。試想，某個科學(xué)家在某天出了個意外的車禍死去了，難道這是預(yù)先（他生下來時）就決定了的結(jié)果嗎？當(dāng)然不是！除了量子論揭露了世界的本質(zhì)是非決定論的之外，對非線性導(dǎo)致的混沌理論的研究，也支持非決定論?；煦缋碚摻忉屃耍杭词故菦Q定性的系統(tǒng)，也有可能可能產(chǎn)生隨機的、非決定性的結(jié)果！
承認非決定性不難，難的是進一步解釋下去。波函數(shù)的概率解釋在理論上導(dǎo)致對概率本質(zhì)的思考。而量子力學(xué)中的實驗測量也使物理學(xué)家們困惑。微觀世界是不確定的，宏觀現(xiàn)象又都是確定的，如何從不確定的微觀銜接過渡到確定的宏觀？量子力學(xué)認為微觀世界中粒子的狀態(tài)是“疊加態(tài)”，是一種概率疊加態(tài)。而實驗測量不到疊加態(tài)，只能得到某個確定值的“本征態(tài)”，這里的解釋方法之一就是所謂的“波函數(shù)坍縮”，即“疊加態(tài)的波函數(shù)以某種概率塌縮成了本征態(tài)的波函數(shù)”。
那么測量為什么引起波函數(shù)坍縮？什么叫測量？請關(guān)注下周推送。
往期回顧
· 科學(xué)和哲學(xué)：同根而生，為何漸行漸遠？
參考資料
[1] The Trouble with Quantum Mechanics，Steven Weinberg，The NewYork Review of Books，January 19, 2017 Issue
http://www.nybooks.com/articles/2017/01/19/trouble-with-quantum-mechanics/
[2] Einstein,A.; Podolsky, B.; Rosen, N. (1935). "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?". Physical Review. 47 (10):777–780.
