因此,人们试图用他们可以理解的图像的方式来解释它是如何运作的。这些方式被称为 量子物理学诠释 。首开先河的是 哥本哈根诠释 ,因为做出这种解释的科学家大都在哥本哈根工作,故此得名。从 20 世纪 30 年代至 20 世纪 80 年代,这是关于量子世界的标准思维方式,而且至今仍在广泛传授。但在解答了许多问题的同时,它也引发了同样多的问题。
根据哥本哈根诠释,如果我们没有观察原子、电子和其他的量子实体,就想知道它们在做什么,这是毫无意义的。而且,我们永远不能确定某个量子实验的精确结果。我们所能做的是计算一项特定的实验会出现一种特定的结果的概率。这就跟你玩掷骰子时完全一样,如果你掷出一个真正的骰子,得到 12 分的概率是确定的,另一个确定的概率是你可能获得 5 分,等等。与此同时,你还知道你永远不会得到 17 分或 4.3分。在量子实验中,也会发生同样的事情。有些结果更可能出现,有些出现的概率很小,有些是不可能出现的。
掷骰子的时候,也许你事先不知道你掷的总分,但即使你没有看到骰子,你至少知道骰子会在那里。哥本哈根诠释认为,不观察量子实体的时候,它们就会转变成一种波的混合物(有时称之为 波函数 ),它代表不同的概率。这种混合物被称为 叠加态 。进行一次测量,这次测量行为就迫使量子实体在这些状态中选择一种状态,当然这要符合这些状态的概率,随后波函数就坍缩了。但只要测量已经完成,量子实体马上就会再次开始转变成一种混合物,从而形成一种新的叠加态。
仔细观察双孔实验,哥本哈根诠释认为,只要实验一端的这个电子一离开电子枪,就会转变成一种叠加态,即波会通过两个孔。波一穿过这两个孔,它们就会互相干扰,产生一种新的叠加态。随后,当到达目标屏幕时,这种波函数就会坍缩成一个点,而电子就会成为一个真正的粒子,至少暂时如此。然而,如果我们设计实验,想看看到底电子要穿过哪个孔,这种观察行为会迫使波函数在其中的一个孔中就坍缩了,然后,在实验的另一边它会从一个位置扩散开来,这种扩散没有干扰,会形成一种不同类型的图案。
亨氏·帕赫尔斯(Heinz Pagels)在他所著的《宇宙代码》( TheCosmic Code )中,已简洁地概括了这种情况。他的评论值得我们引述,因为当时他任纽约科学院主席,肯定知道自己在说什么。他说,根据哥本哈根诠释:
一个离开了人类的实际观测谈论位于空间的某一位置(如位于两孔中的一孔)的电子的客观存在是毫无意义的。只有当我们观察电子的时候,电子好像才会突然以实物的形式出现……现实有一部分是由观察者创造的。
你可能认为这真是太荒谬了。如果你真这样认为,那你跟埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)的想法不谋而合。由于在量子物理方面的工作,物理学家埃尔温·薛定谔也曾获得过诺贝尔奖。他痛恨哥本哈根诠释(有一次,他曾经和父亲谈到量子理论,他说,“我不喜欢它,并且我希望我从来没有和它扯上关系”),为了凸显哥本哈根诠释的荒谬性,他虚构出了著名的“箱子里的猫”的实验。这一场景纯粹是虚构的——这是一种“思维实验”。没有任何一只猫曾经遭受过薛定谔所描述的那种屈辱,但这一实验有力地反驳了哥本哈根诠释。
在薛定谔对这个实验的描述中,他用复杂的 盖革计数器 监控放射性原子。我的试验与他略有不同,同时,还引出了量子世界的另一个古怪特性。