量子世界不再神秘

量子世界不再神秘

作者：石无鱼

来源：《科学之谜》2021年第01期

量子世界充满了种种神秘，但最大的神秘已经被我们解开。

有人说，我们这个时代是祛魅的时代。过去，人们普遍迷信周圍存在着魑魅魍魉、山精水

怪，害怕它们会时不时出来作祟。如今，这些迷信都被科学扫荡干净。“祛魅”就是使大自然变

得不再神秘的意思。

可是，说来也够怪的，正当我们对身边的大自然（即宏观世界）祛魅之时，在由原子和基

本粒子组成的微观世界里，正神秘地发生着种种令人匪夷所思的事情，仿佛那里成了鬼魅们藏

身的最后一块地盘。

从某种意义上说，微观世界的粒子表现得比鬼魅还神秘。你瞧：它时而是粒子，时而是

波，玩着种种变形记;它在同一时刻，既可以在这里，又可以在那里，仿佛有分身术（这种同

一时刻集多种可能性于一身的现象，叫叠加态）……总之，完全不像我们熟悉的事物。我们平

常说的“现实”指的是一切事物都确定、有规律可循的世界，而这些粒子表现出来的却是完全不

确定，所以可以说它并非存在于现实之中。它好像存在于一团模糊的“云”中，但“云深不知

处”。

什么时候粒子的“身份”“位置”等属性才能确定下来呢？答案是，测量的时候。测量是宏观

世界和微观世界的“交锋”。既然在宏观世界，一切都是确定的，那么每一次测量，粒子也必须

给我们一个毫不含糊的交代：有就是有（意味着它在这里），没有就是没有（意味着它不在这

里）。换句话说，它必须选定一种确定的方式呈现。但吊诡的是，尽管测量条件完全相同，每

次的测量结果却可能都不一样，就好像投硬币，虽然每一次落地结果是确定的（不是正面就是

反面朝上），但正反却是我们无法预料的。

不过，粒子的行为跟投硬币又有本质的区别。对于硬币的不确定性，经典物理学说，那是

因为我们没有掌握影响其结果的一切因素，比如投掷的力有多大，方向如何，当时的空气状况

如何，等等。一旦知道了这一切，我们就能准确预测每一次的投掷结果。而粒子的“任性”是量

子物体与生俱来的特征，跟外界无关，也是我们无法左右的。

所以，对于抛掷中的硬币，虽然正反不确定，我们还是会说它处于现实之中;但对于还未

测量的粒子，就只能说它处于“非现实”之中了（至于什么样的“非现实”，物理学家就词穷

了），一直要等到它被我们测量，结果确定了，我们才说，它回到了现实中。

在物理学上，描述微观粒子的理论叫“量子力学”。它是在20世纪20年代发展起来的，目

的是解释为什么像电子这样的微观粒子有时表现得像波，而像光这样的波有时却表现得像粒子

（光子）——以及为什么在原子中，电子所处的能量状态是不连续的，只能取某些特定值，像

楼梯（这样的能量状态叫能级）而不像滑梯。量子力学的创始人之一薛定谔发明了一个方程，

用“波函数”来描述粒子的这种模棱两可的行为。一个粒子的所有信息（如位置、能量、自旋

等）都包含在它的波函数中。你可以用波函数可靠地计算出，如果测量它，它处于某种特定状

态的概率有多大，比如说位置，在A位置的概率有多大，在B位置的概率又有多大等。

后来，为了解决粒子如何从“非现实”中现身现实，另一位物理学家冯诺依曼又引入了“波

函数坍缩”的概念。他说，尽管波函数中包含着粒子的所有可能性，但在测量时，波函数瞬间

“坍缩”了，像一团飘忽的“不确定”的云，瞬间凝聚成一滴“确定”的雨点，于是粒子从众多可能

性中选择了一种呈现给我们。但注意，这仅仅是一次测量，因为每次测量，粒子选择呈现给我

们的可能性都不一样。换句话说，每一次测量的结果都是随机的。不过，重复测量却又符合用

薛定谔方程预测的概率。还是拿抛硬币做比方，尽管每次正反朝上的结果是随机的，但重复

抛，最终还是符合两种结果1：1的预测的。

这个波函数坍缩的理论，通常被称为量子力学的哥本哈根派解释。因为这一派物理学家的

大本营在丹麦的哥本哈根。根据哥本哈根派的说法，波函数坍缩是不需要时间（零时间）、没

任何预兆、随机发生的。可是，这个过程到底是怎么回事，他们却没给出进一步的解释，甚至

连“波函数坍缩是不是一个真实的物理过程”，他们自己都说不清。这就为其蒙上了一层神秘的

面纱。

虽然量子力学解释各种物理现象所向披靡，但对自己的“波函数坍缩”却至今解释不了。长

期以来，这是它的一个“心病”。

为避免这种尴尬的局面，后来的理论家们也提出了各种替代方案。例如，在由美国物理学

家休埃弗雷特提出的“多世界解释”中，波函数坍缩是不必要的。它说，当进行测量时，波函

数中包含的所有可能结果都会在许多不同的世界中成为现实。比如说，粒子的状态有两种可

能：衰变/没衰变。现在去测量它有没有衰变，测得结果是它衰变了。但这个结果仅仅发生在

我们这个世界，在另一世界，粒子选择呈现的却是另一种结果——没衰变。只是在测量时，那

个世界与我们的世界分道扬镳了。推而广之，对粒子做的每一次测量，都会造成世界的一次新

的分裂——这就是“多世界解释”这个名称的由来。

这理论也很神秘，是不是？但它的拥趸还不少呢。

另一种解释是由美国物理学家波姆提出来的，通常称为“波姆力学”。在这个理论中，波函

数被理解成引导粒子运动的一种“导航波”，由它将“云里雾里”的粒子引导到一个确定的状态。

只是要描述这个引导过程，哥本哈根派的波函数中还少了一点东西，需要在其中增加一个额外

的变量，波姆称其为“隐变量”。“隐”即至今隐藏着，还未被发现的意思。波姆本人终其一生都

在寻找这个隐变量。这个理论也认为波函数坍缩是不必要的。

还有一种解释，称为“客观坍缩”解释。它说，波函数坍缩是一个真实的物理过程，但像波

姆一样，也认为行书字帖 需要在薛定谔方程中增加了一个额外的变量来描述这个过程。

哑铃训练方法 事实上，替代方案很多，限于篇幅，这里仅举三种。

所有这些解决方案都有自己的问题，这就是为什么物理学家几十年来一直在争论的原因。

争论基本上没有结果，因为没有任何确凿的证据能帮助人们做出选择。美国耶鲁大学的物理学

家兹拉特科米涅夫试图改变这一局面，最近他和他的同事做了一项雄心勃勃的实验，旨在比

以往任何时候都更敏感地探索涉及量子的测量问题。混响

为了理解他们的结果，让我们先来了解一种鲜为人知的理论——量子轨迹理论。它是在

20世纪90年代发展起来的，用来追踪一个量子物体在测量过程中随着时间而发生的变化。

量子轨迹理论完全是从常规量子力学发展出来的。薛定谔方程只能描述孤立的量子系统，

而量子轨迹理论可以描述量子物体与环境的相互作用。相互作用的结果是，量子物体渐渐失去

其量子性，表现为经典物体（可用经典物理学描述的物体）。譬如说，原来具有波动性的粒

子，不再表现出波动性;原来量子纠缠的一群粒子失去纠缠性，等等。这样一个从量子物体退

化为经典物体的过程，物理学上叫退相干。其实，退相干是一种非常普遍的现象。因为我们知

道，宏观物体都是由微观粒子组成的，既然微观粒子具有量子性，为什么大量微寒假作业作文 观粒子组成的

宏观物体就不再具有量子性了呢？对了，就是因我懂得了宽容 为退相干。

多年以来，物理学家试图用量子轨迹理论来分析一些典型的量子过程，譬如量子跃迁（所

谓量子跃迁，就是原子在各种能量状态之间的跳跃，跳跃时吸收或者发射一个光子），但要得

出准确的结果，难度极大。你得要知道几乎所有发生的事情。例如，你需要以非常短的时间间

隔不断检查光子是否已发射。你不能错过一个光子。每次检查时，都必须考虑原子在发射光子

时所产生的反冲力对自己的影响（就像子弹射出后，枪座受到反冲，位置有轻微的改变）。这

个难度有多大，外行几乎难以想象。所以迄今为止，物理学家在这方面的努力一直受挫。大同古城

现在，这种状况已经改变。美国物理学家米涅夫领导的团队用超导体构建一个人造原子，

这个人造原子具有真实原子的基本特征（比如说它的能量状态也是不连续的，像梯级）。然

后，他们用微波激发这个“原子”，让它从能量低的基态跃迁到能量高的激发态，而后，人造原

子将发射一个光子，从激发态跃迁回基态。在这过程中，他们以无与伦比的精确度观察了量子

跃迁。

按哥本哈根派的解释，量子跃迁就是一种波函数坍缩的过程：当观测一个处于激发态的粒

子时，粒子的波函数坍缩，导致它回到基态。因此，量子跃迁也被认为是一种零时间、没任何

预兆、随机发生的。

但米涅夫等人观察到的量子跃迁要比这复杂得多。他们所看到的量子跃迁，随着时间，是

连续渐进地发生的：处于较高能量状态的原子，在持续观测的作用下（因为观测一个物体，需

要通过与它相互作用才能实现，譬如向它发射光子，然后接收发射回来的光子），不断失去稳

定性，观测所施加的影响不断累积，最后才发生跃迁。打个比方，这就好比一个人，不停地被

人推搡，身子搖晃得越来越厉害，最后失去平衡，才一头栽倒在地。为了向公众展示这一过

程，他们还录制了一段慢镜头，镜头中量子跃迁就像一个雪人在阳光下融化一样，缓慢发生。

此外，米涅夫等人看到，量子跃迁发生的时刻虽然是随机的，但在即将发生之前有一种预

兆：粒子的摆动会变得异常平静，就好像火山爆发前会有一段异常平静的时间。因有这个预

兆，他们还可以阻止即将发生的量子跃迁，让系统恢复到初始状态。这样，原先被哥本哈根派

认为与生俱来的量子随机性，现在被证明在一定程度上是可以控制的。

假如我们把量子物体比景德镇窑 喻成一个爱发脾气的人，虽然他何时发脾气是随机的、无法预料

的，但因为他发脾气之前总有预兆，我们一旦观察到预兆，及时安抚，就可以让他把气消掉。

如果沿用哥本哈根派“波函数坍缩”的概念，那么米涅夫等人的工作证实了，“波函数坍缩”

是一个实实在在的物理过程，而前面提到，哥本哈根派在这个问题上是支吾其词的，因为他们

把“波函数坍缩”搞得太神秘了，连自己都不相信是否实有其事。

哥本哈根派认为，在观测过程中，“波函数坍缩”是不可避免的，这又赋予了“观测”很大的

神秘性，似乎“波函数坍缩”完全取决于观测。这一观点的一个极端例子是薛定谔的猫实验。在

那个实验中，猫的生死都完u盘测试 全取决于你是否打开箱子去观测。

但米涅夫等人给“观测”祛了魅，告诉我们，对量子物体的测量跟对宏观物体的测量没有本

质的区别，都不过是测量工具对测量物体施加的作用。他们甚至提出，只要小心控制量子物体

与测量工具的相互作用，就可以将干扰降到最低，从而在进行测量时避免“波函数坍缩”。而这

也意味着，我们可以对一个量子系统进行理想的测量，即在测量时不破坏它的量子态。这对于

量子计算机的研究具有重大意义。

与此同时，这些成果给了我们很多值得深思的地方，其中一个重要的含义是，“波函数坍

缩”的概念完全是一个多余的假设。就量子跃迁而言，只需要考虑量子与测量工具的相互作

用，即可解释，不需要引入玄乎其玄的“波函数坍缩”。

在热学上，也曾经有过“一个假设最后被认为多余”的例子。我们知道，在显微镜下，花粉

颗粒在液体中不停地做无规则运动，这叫“布朗运动”。在分子学说提出之前，人们杜撰出一个

小精灵，说是它在推动着花粉运动。等到分子学说提出来后，大家才知道，花粉是因为受到环

境中液体分子的碰撞才不停运动的。于是，假设一个小精灵就没必要了。

那么，现在该如何理解测量结果的随机性呢？譬如测量同一个量子物体，这一刻测得它在

这里，下一刻测量，它又不在这里了，这怎么解释？根据哥本哈根派的说法，那是量子物体与

生俱来的任性，单次的测量结果只能随它自己高兴，我们也拿它没办法，但多次测量得到的统

计结果，还是会符合我们的预期的。

现在，我们可以对测量结果的随机性给出更合理的解释。假设你想在显微镜下测量一个粒

子的位置。要知道它的位置信息，你需要向它发射光子，然后接收发射回来的光子。譬如显微

镜聚焦后，接收到的光子告诉你，粒子处于显微镜视域的中心位置。可是，光子打到粒子上之

后，可能就把粒子撞到远处去了。假如你还是以原来的聚焦条件进行第二次观测，粒子就不在

老地方了。你必须重新聚焦，才能找到它的新位置。位置的不确定性就是由此产生的，这里面

没有任何神秘的东西。

消除了之前被称为“波函数坍缩”的概念，量子理论的多世界解释甚至也变得多余。因为这

个同样神秘的量子理论，本来就是作为“波函数坍缩”的替代理论出现的，皮之不存，毛将焉

附？同样，其他几种替代理论也都是多余的。

当然，量子世界除了“波函数坍缩”，还笼罩着其他很多神秘，譬如叠加态、量子纠缠等。

这项研究能否彻底给量子世界祛魅？我们能否在此基础上发展出一套全新的量子理论？这些问

题目前还未可知。但至少，量子力学的最大“心病”已经有了结果。