# 量子力学18：道门法则 ![](https://piccdn3.umiwi.com/img/202008/02/202008022226043308460329.jpeg) 我们一直讲到了最新的实验研究，但是量子力学的迷仍然没有被破解。我们想要一个解释。 网上流传着一套所谓“科幻四大定律” —— 遇事不决，量子力学；解释不通，穿越时空；脑洞不够，平行宇宙；定律不足，高维人族 —— 不知道你有什么看法，我看这都是俗套。比如说“高维空间”，现在你一说有个不好解释的现象，就有人说“这是不是高维空间的问题？”我看这帮人是不是科幻小说看多了，高维空间是万能的吗？你知道高维空间意味着什么吗？高维空间这个假说带来的问题比它解决的问题更大。 ……不过呢，这个……现在各路物理学家和哲学家对量子力学的各种解释，有的确实是比高维空间还要离奇。这一讲咱们说说量子力学的解释。事实上，科幻小说的那些俗套，正是起源于这些解释。这一讲不能让你理解量子力学，但是也许能带给你一些科幻灵感。 ＊ 首先我们得明确一点，玻尔等人坚持的所谓“哥本哈根解释”，其实并不是一套解释[1]。新一代的实验结果让我们进一步明确了，量子力学中有三个性质，是我们不理解的，是疑问 —— **第一，观测结果为什么是随机的？** 电子自旋是向上还是向下，光子落点是这里还是那里，原子在这个时间段里到底是衰变还是不衰变，量子力学认为是*真*随机：没有理由，无法推导，谁也不能事先确定。可是宏观世界也好，数学方程也好，都没有这样的随机。 **第二，“鬼魅般的超距作用”到底是如何完成的？** 超距作用对爱因斯坦来说只是一个不可思议的推理结论，而对现代人来说则是一个已经被实验证明的事实。超距作用和随机性，是量子力学最让人无法接受的两个硬事实。 **第三，波函数到底是个物理实在，还是仅仅是一个数学工具？** 如果波函数只是个数学工具，为什么光子对实验路径有个全盘的认知，为什么又好像能预知未来？如果波函数是个物理实在，它的“坍缩”到底是怎么回事？从无数个可能坍缩到这一点，从无处不在到只在这里，竟然不需要任何时间，这到底是一个什么样的过程？为什么维格纳和维格纳的朋友对波函数有不一样的看法？ **哥本哈根解释要求我们不要问了，接受它们就是，这其实是一种立场和态度，等于是回避了这些疑问，应该叫“哥本哈根不解释”。物理定律的作用是符合实验，而不是寻求真相，但是你可能还是想知道一个真相。很多物理学家也是这么想的，他们设想了各种解释，现在有一定影响力、能数的上的就已经超过十种。** 我们简单说其中著名的几种。它们都既没有证据表明是对的，也没有证据表明是错的，对当前科学理解来说，它们都还“活着”。相信哪一个，取决于你喜欢什么。 ＊ 如果你喜欢宏大的世界观，你必定早就知道“多世界解释（Many-Worlds Interpretation）”……也就是“平行宇宙”。这个现在非常流行的解释认为在波函数坍缩的那一刻，世界发生了分叉。 为什么有时候我们观测到电子自旋向上向下是不确定的？因为向上向下其实都发生了。每一次波函数坍缩，这一个世界都变成了两个甚至无数个“分身世界”，其中一个世界里那个电子的自旋向上，另一个世界里自旋向下。你之所以看到向下的自旋，是因为你恰好身处这个世界之中：在另一个世界里，还有另一个一模一样的你，他观测到的电子就是自旋向上的。 在某个世界里薛定谔的猫出来是活着的，某个世界里是死的。世界无时无刻不在分叉，所有物理定律允许发生的事情都在某些分身里发生了。无数个你生活在无数个分叉的世界之中，经历着因为波函数坍缩效应而不一样的命运。 ![图片来自 Pinterest](https://piccdn3.umiwi.com/img/202008/02/202008022122435333089032.jpg) 你可能觉得这个解释太极端了。一个小小的电子，竟然能复制出来一整个世界？这值得吗？至于吗？但是在我看来，多世界解释其实是个保守的理论。 因为它保护了我们的经典观念。多世界解释不需要随机性。一切可能发生的都发生了，量子随机性就不存在了。而且多世界解释其实是一个非常严肃的数学理论，2014 年，杜兰大学的物理学家法兰克·迪普勒（Frank J. Tipler）证明，多世界解释可以避免超距作用 [2]。这样一来，爱因斯坦坚持的那些东西 —— 上帝不掷骰子、量子纠缠没有超光速协调 —— 多世界解释都能满足。只要你相信世界可以分叉，量子力学就不再神秘，你说值不值得？ ＊ 如果你喜欢鬼神之说，我向你推荐“导航波理论（Pilot Wave Theory）”。这个理论出身名门，最早是德布罗意 1927 年提出的，后来被戴维·玻姆（David Bohm）在 1952 年完善。导航波理论是一个“二元”的世界观，它把粒子和波函数给分开了，认为是两种不一样的现实。 粒子就是我们平常想象的、像小球一样的、有确定的位置和动量的经典粒子。但是现在粒子自己不知道该怎么运动，它需要“导航波” 的引导。导航波取代了波函数，它无处不在无所不知，能够瞬间传递信息，它代表量子世界所有的波动现象。 ![双缝实验中的导航波，图片来自 WikiCommons](https://piccdn3.umiwi.com/img/202008/02/202008022123456235558691.png) 导航波通过某种“量子势”告诉粒子如何运动，而粒子告诉导航波如何变化。粒子的运动仍然要满足相对论的要求，但是导航波却可以瞬时、全局变化，这样一来超距作用就有了着落。既然把一切神秘都推给了导航波，那么“波函数坍缩”也就不存在了，粒子的行为都是导航波决定的，而导航波永不坍缩。 最关键的是，导航波其实包含了爱因斯坦想要的隐变量。既然导航波是瞬时和全局性的，它就会受到宇宙中所有粒子的影响。那么此时此地这个粒子的行为，本质上就是由宇宙中所有粒子共同决定的 —— 这就是为什么我们无法预测它。量子力学的随机性其实是因为可以干扰粒子行为的因素在全宇宙，实在太多了。 你看这个导航波是不是有点像鬼神传说中那个“精神世界”，它自身充满了信息，跟粒子代表的物质世界关联在一起，但是是两种东西。如果你能体会甚至控制导航波，你不就掌握了超能力吗？如果你能以导航波的形态存在，你不就是鬼 —— 那个，“灵魂”吗？这是一个挺好的玄幻题材。 ＊ 如果你喜欢玄学思辨，“全息宇宙（Holographic Universe）”和“量子逻辑（Quantum Logic）”可能会让你感兴趣。 全息宇宙解释认为我们所观测到的一切之所以让人感觉定律不足，也许是因为需要高维人族 —— 啊不是，是需要“更真实”的宇宙，更深层的现实。你知道电子到底是个什么东西吗？我们对电子的一切观测都是间接的。也许我们看到的、感受到的、观测到的一切物理现象，都是某个更深层的现实的投影。我们这个扭曲了的投影很怪异，但是那个深层的现实是完全合理的。 量子逻辑解释则认为我们之所以不理解量子力学，是因为我们受到宏观的日常生活的影响太深了。宏观世界的逻辑并不适用于量子世界。1936 年，冯·诺依曼和数学家加勒特·伯克霍夫（Garrett Birkhoff）发明了一套量子逻辑，这个逻辑系统可以把位置、动量、概率这些概念的性质全都改写，而且在数学上也能自洽。量子逻辑理论一直到今天仍然有人在搞，但是仍然未能达到覆盖整个量子力学的程度。 我认为全息宇宙和量子逻辑这两种解释的脑洞是最大的，它们直接挑战我们所有的思考，提供了完全颠覆的世界观。不管它们最终对不对，知道有这样的世界观存在，也是一个慰藉。 ＊ 如果你喜欢穿越时空，你应该研究“时间对称解释（Time Symmetric Interpretation）”和“交易解释（Transactional Interpretation）”。 薛定谔方程也好、牛顿力学也好、相对论也好，物理定律的方程里的“时间”这一项，并没有特定的方向。我们在日常生活中感觉时间总是从过去到现在，从现在到未来，那在很大程度上是因为热力学的定律，也就是熵增，而那是一种宏观的现象。量子力学里没必要认为未来跟过去有什么不同！ 据此，日本物理学家渡边慧在 1955 年搞了一套时间对称的量子力学。不但现在可以影响未来，未来也可以影响现在，波函数向着未来和过去两个方向演化。这套理论自带“向后”的因果关系，那么所谓延迟选择也就不成问题了。 1945 年，费曼还在给惠勒当博士生的时候，惠勒突发奇想（惠勒总能突发奇想），说两个带电粒子的相互作用，好像不应该仅仅是其中一个向另一个发射光子：而应该是两个粒子各自发射一个“半波”，这两个半波在空中发生一次“量子握手”。这就是所谓“交易解释”。 交易解释的关键在于每个粒子的波函数不是一个，而是两个：一个走向未来，一个走向过去。相互作用是发射方出来的、通向未来的波（延迟波，retarded wave）和接受方的走向过去的波（超前波，advanced wave）交易的结果，而交易发生的时候，其他地方的波自动干涉抵消了。这个理论跟“导航波”有点像，但是因为它有两个波，它能自动完善波函数跟时间的关系。 惠勒让费曼做超前波，说你做完了我再做延迟波。费曼如期完成了超前波的理论，还当着爱因斯坦和泡利的面做了报告。泡利当场表示反对，并且预言惠勒做不成延迟波……结果惠勒果然没有做成。这个理论一直到 1986 年才被约翰·克拉默（John G. Cramer）完成，后来又发展出来了相对论解。 ＊ 如果你觉得上面这些解释都太过大动干戈，喜欢平淡的解释，“超级决定论（Superdeterminism）”可以让你立即获得内心的平安。超级决定论认为人根本没有自由意志，一切事件都是从宇宙创生之初，就已经由上帝 —— 啊不是，是由物理定律 —— 决定了的。 也就是说，包括在某时某刻选择观测某个物理现象这样的决定，也是早就安排好的。你根据安排观测一个粒子，跟它纠缠的另一个粒子根据安排做出相应的反应，这哪里有什么超距作用呢？你感到很惊讶，以为这里面有什么了不得的信息传递，殊不知一切都是按照剧本走：连你自己也是那个剧本的一部分而已。 超级决定论可能是贝尔首先想到的，现在受到了哲学家的欢迎。根据这个理论，宇宙中没有孤立的东西，没有独立的事件，所有东西都跟所有东西关联在了一起。而那个关联，既决定了粒子的所作所为，也决定了我们的所思所想。 ＊＊＊ 还有一些别的解释，比如近年来出现的“客观坍缩理论（Objective Collapse Theory）”、“关系性量子力学（Relational Quantum Mechanics）”、“量子贝叶斯主义（Quantum Bayesianism）”等等，我们就不一一细说了。 如你所见，这些解释简直是五花八门，代表各种奇思妙想 —— 但是请注意，它们几乎都有数学上严格的理论形式，都做得很漂亮，而且简直是奇迹般地，它们都符合量子力学的实验结果。 “对量子力学的解释”，是人类智力的一大壮举。你要是去一个荒岛过几个月没有互联网和电视的日子，不妨带上这些解释的论文，没事儿拿出来一篇把玩其中的精妙思想，也是一大乐趣。 但是这些解释真的很不一样。而且它们也不是完备的，像“电子到底是什么”这样的问题，仍然没有答案。那真相到底是什么呢？只有留待未来的实验去证明和筛选，未来的天才去把这一切综合起来，给一个让人不得不服的解释。 ## 划重点 对于“观测结果为什么是随机的？‘鬼魅般的超距作用’到底是如何完成的？波函数到底是个物理实在，还是仅仅是一个数学工具？”这三个量子力学的性质问题，物理学家们设想了各种解释，现在有一定影响力、能数的上的就已经超过十种。它们几乎都有数学上严格的理论形式，都做得很漂亮，而且都符合量子力学的实验结果。 ![](https://piccdn3.umiwi.com/img/202008/02/202008022125582961756499.jpg)