深水

哥本哈根解释已经摇摇晃晃地存在了50多年。从20世纪30年代到80年代，绝大多数物理学家都同意这种解释。如果说它是可以用来预测实验结果的一个实用工具的话，这些物理学家们并没有关心哥本哈根解释的深层次哲学问题——事实上，有很多人现在也没有关心。但是在近些年中，人们对量子论究竟意味着什么的解释产生了越来越多的不满意。人们正在花费越来越多的精力来寻找一个替代的解释。

主要的问题与波函数的坍塌有关系。玻尔告诉我们，必须考虑整个实验，波函数坍塌的方式取决于所有的实验设备。但是这种纯粹的、自洽的实验根本就不存在。量子论的这个解释是在告诉我们，这些东西，例如，电子，仅仅在它们被观察的意义上才是真实的。在某种意义上，测量设备比光子、电子以及其他所有的东西都更加真实。这不是我对哥本哈根解释的理解，这是玻尔和海森伯以及他们的同事们所清楚地宣布过的。例如，海森伯曾说：“实际上，哥本哈根解释将事物和过程作为物理解释的基础，而这些事物和过程又是用经典概念来描述的。” 换句话说，在经典世界中，用来构成万物的那些原子在某种程度上不如原子构成的事物更真实。即使是在20世纪30年代，许多人就认为这是不可思议的，在已经获得了原子照片的今天，这种观点更是难以接受。

根据哥本哈根解释，对于双孔实验来说，必须有人参与观察以使系统处于一个确定的状态。海因茨·派格斯在当时（1981年）是纽约科学院院长，他当然知道量子理论是怎么一回事。他说：“对于空间中的某一点例如双孔中的一个，电子的客观存在是没有意义的，这不依赖于实际的观测。只有当我们去观测它的时候，电子才作为一个实体而存在。” 但是实验者不仅仅是实验的一部分，他同时也是外部世界的一部分。人和其他事物一样由电子构成。在实验者的体内，是什么原因导致了波函数的坍塌，从而使电子呈现为局域化的实体呢？可以推测，这是与观察者外部的世界相互作用的结果。在这种意义上，又是什么使得观察者外部的世界成为“真实的”呢？是在越来越大的尺度上的与更多的东西（和观察者）更多的相互作用。从字面上来看哥本哈根解释，它告诉你一个电子的波函数在检测器的一点上发生坍塌是因为整个宇宙在观察着它。这就太奇怪了。一些宇宙学家（包括史蒂芬·霍金）担心这个解释表明在宇宙之外还存在着什么东西在观察着整个宇宙以使它的整个波函数发生坍塌。 同时，约翰·惠勒指出：“是有意识的观察者，以我们自己的形式，使波函数发生了坍塌，使得宇宙得以存在。根据这个图像，宇宙中的万物之所以存在，就是因为我们在观察它们。我将更加仔细地审视这些绝望的修补和辩护。”然而这种论断从一位德高望重的科学家口中说出，便足以说明我们正处于一个什么样的深水当中了。

另一个问题涉及量子体系的粒子性与波动性的关系。玻尔说这两种特性是互补的，正如硬币的正面和背面是互补的。如果你将一枚硬币平放在桌上，那么结果肯定是要么正面朝上，要么背面朝上，但绝对不会是两个面同时朝上。在哥本哈根解释当中，一个整体，例如，一个电子，它既不是波，也不是粒子，而是其他的某样东西。这种东西不能用我们的日常语言来描述。但是它展现给我们的要么是粒子的一面，要么是波的一面，这取决于我们采用什么样的方式去测量它，就好像是我们如何放置量子硬币一样。事实上，这个系统可能还具有其他的特性。我们还没有聪明到足以测量这种特性，且对这种特性一无所知。

这个互补性或波粒二象性，与海森伯发现的著名的测不准原理有关。这个原理的最简单形式是说我们不可能同时精确地测定一个量子实体的位置和动量。动量测量的是一个物体往何处去，有多快。在很多方面，这是波的一个特性——波必定朝某个方向传播，否则它便不是波。位置是一个确定的粒子的特性——波的本质是向外传播，而粒子有一个确定的位置。我们可以测量粒子的位置，或者我们可以测量一个粒子的运动方向。任何一种情形，我们都可以测量到满意的精度。如果要精确地测量位置，将在动量的精度方面牺牲一个可确定的量；反之亦然。

这并不是像在某些教科书中所错误地暗示的那样——仅仅是测量过程中的实际困难所致。这并不仅仅是因为在测量电子的过程中（可能是使光子碰到它并返回），我们可能“踢”了它一下，从而改变了它的动量。量子实体不具有精确的动量和精确的位置。在一定极限下，电子并不知道它自己位于何处或正在奔向何方。略微夸大一点就是，如果它精确地知道自己位于何处，那么它将对自己正在奔向何方一无所知。如果它精确地知道自己正在奔向何方，那么它将对自己所处的位置一无所知。尽管在通常情况下，一个量子实体近似地知道自己位于何处和奔向何方。这里一个重要的词为“近似”。尽管用日常生活中的常识很难理解，但是量子体系不能够将自己钉扎在一个确定的位置上，在奔向何方方面它总存在某些不确定性。

这是非常重要的。例如，在核聚变反应中，量子不确定性允许原子核相互接触、相加重叠和连接在一起。而根据经典物理的思想，原子核之间不可能充分靠近。某些核反应正在使星体保持高温。没有量子不确定性，太阳就不会发光。

这些思想非常难以处理，但是我不会向你讲解这些思想的发展史，也不会向你展示这些思想的证据——事实上量子世界正是这样运作的。许多其他的书，包括我自己的书，现在都可以用来补足那些细节。在本书中我更加关心的是哥本哈根解释在何处失效，以及什么解释可以代替它。尽管在量子水平上，不确定性确实是鲜活的事实，但它在日常生活中却并不出现。其原因正如波粒二象性在日常生活当中并不出现一样。在量子先驱马克斯·普朗克之后，描述这些现象的方框中都包含着一个普朗克常数。与日常生活当中的质量和动量相比，普朗克常数非常之小，它的值仅为6.55×10 ^-27 尔格/秒（不要担心单位的问题，重要的是质量要用一个相应的单位——克来度量）。只有当物体的质量小到跟电子差不多（电子的质量为9×10 ^-31 千克，或者使用与尔格·秒可直接比较的单位，电子的质量为9×10 ^-28 克）时，量子效应才变得显著。当处理质量比原子质量大很多的对象时，除了任何比原子大的物体本身都是由原子来构成的这一事实之外，其量子效应是如此之小，以至于它们的影响可以忽略不计。

到了这里，有必要停下来喘口气，体会一下量子世界距离我们的日常生活究竟有多远。10 ^-27 意味着十亿分之一的十亿分之一的十亿分之一。如果一个物体的尺寸为10 ^-27 厘米，那么在一厘米的空间内就可以依次旋转十亿十亿十亿个这样的物体。如果我们将十亿十亿十亿个一厘米见方的物体（例如糖块）挨个依次摆放在一起，那么这些物体将覆盖多长的距离呢？答案是10 ²⁷ 厘米。这有多长呢？好，在天文学中标准的长度单位为光在一年内走过的距离（一光年），为10 ¹⁸ 厘米。所以10 ²⁷ 个糖块肩并肩地摆放，它们所覆盖的距离为十亿（10 ⁹ ）光年。在宇宙当中已知的最远的物体——一些类星体，大约有一百亿光年那么远。所以10 ²⁷ 个糖块将覆盖与最远的类星体之间距离的十分之一。作一个类比，量子世界运作的尺度与糖块相比来说远比糖块与整个可见宇宙相比还要小。用另一种方式来描述，人的大小差不多位于量子世界和整个宇宙的大小的中间。在这种数量级的标度下，我们宣布能够理解在两种极限情况下到底是什么样子的。

我们并不期望像砖块、房屋、人这样的物体表现出波粒二象性，因为这些物体与普朗克常数相比是如此之大。物理学家们期望量子物体呈现波粒二象性，尽管哥本哈根解释的一个主要特点就是你不能同时看到这两个方面。对此，玻尔非常直率，他宣布在原则上不可能同时观察一个实体（例如，光子或电子的波的特性和粒子特性）。对于玻尔和哥本哈根解释来说，非常不幸，实验家们现在正在挑战这个宣言，这些我们在后面将要看到。

关键问题是哥本哈根解释提供了一系列菜谱——涉及不确定性、波函数的坍塌、概率、观察者的地位以及实验的整体论。物理学家们可以用它们来预期实验结果。在这种意义上它是实用的，但是它并不能解释任何事情。这个认识并不新颖。爱因斯坦曾经花费了他生命中的10年时间与玻尔展开友好的论战。他努力说明哥本哈根解释的悖论性。关于量子悖论的一个著名的例子是由薛定谔发展起来的，他曾经用这个例子来试图说服他的同事，使他们认识到这一整套思想是如何的荒唐，是应该弃掉的。当然，我这里参考的还是那个著名的盒子中猫的思想实验。正因为这个实验为大家所熟悉（到1995年这只猫已经60岁了），所以它仍然值得拿来作为一个例子，用以说明任何修正后的量子理论——任何真正能够解释事物的理论——都必须要解释的问题。 xINSSMCTUpLTXoF80jPtWCGot5V9IJwpRaXCylPKdJcZailoQrEinRVh0WbJ5bgN