哥本哈根研究所100歲了 量子世界依舊迷霧重重

　　哥本哈根研究所100歲了 量子世界依舊迷霧重重

　　玻爾創造的“哥本哈根精神”是無法複製的。這是一種在切磋中提高，在爭論中完善，平等無拘束地討論和緊密合作的學術氣氛，就是要在辯論中，推動量子力學的發展，這非常符合玻爾的個性與主張。

　　◎本報記者 吳長鋒

　　1900年，為了解決黑体輻射疑難，德國物理學家普朗克提出了“能量子”模型。彼時，愛因斯坦21歲，剛從大學畢業；玻爾才剛15歲，可能還在中學學習。

　　1905年，愛因斯坦提出“光量子”假説，通過把“本應該是一種電磁波”的光想像成一個個光微粒，成功解釋了光電效應。緊隨其後，玻爾在1913年提出了量子化的原子結構，成功解釋了氫原子的能級結構和光譜，獲得了當年的諾貝爾獎。

　　1921年，玻爾拒絕了恩師盧瑟福的工作邀請，決定創建哥本哈根大學理論物理研究所，繼續深入研究量子力學。研究所一成立，玻爾的人格魅力很快就像磁場一樣，吸引了一大批傑出的青年物理學家，海森堡、泡利、玻恩、狄拉克等量子力學大咖都出自這個研究所，形成了舉世聞名的“哥本哈根學派”。除了玻爾外，這個研究所出了9位諾貝爾物理學獎獲得者，盛況空前。到現在，100年過去，哥本哈根仍是物理學家的“朝拜聖地”。

　　“上帝擲骰子嗎？”

　　哥本哈根學派在創立之初就開始從哲學層面思考量子問題。光和電子時而像波，時而像粒子的“波粒二象性”到底意味著什麼？其本源是什麼？為什麼我們每次只能看到它是波或者是粒子的“一面”？最終，量子力學的“哥本哈根詮釋”浮出水面：

　　——一個量子系統的量子態可以用波函數來完全地表述。波函數代表一個觀察者對於量子系統所知道的全部資訊，量子系統的描述是概率性的。

　　——在量子系統裏，一個粒子的位置和動量無法同時被確定。

　　——物質具有波粒二象性，一個實驗可以展示出物質的粒子行為或波動行為。但不能同時展示出兩種行為。

　　——測量儀器是經典儀器，只能測量經典性質，如位置、動量等。

　　——大尺度宏觀系統的量子物理行為應該近似于經典行為。

　　哥本哈根學派對量子力學的“概率詮釋”，其核心觀點還有“測量塌縮”。一個量子尺度的物體，它當前的狀態其實是幾種可能狀態的“概率疊加”；在未被測量之前，我們完全無法預測物體真正的狀態，這是一種真真正正的隨機性；一旦啟動了測量，物體就會“塌縮”成一種可能狀態，仿佛它一直就是那種狀態一樣。

　　雖然“概率詮釋”類似于“骰子實驗”，但量子力學更純粹。骰子的隨機性其實是偽隨機，“出千高手”完全可以掌控擲骰子的結果。但哥本哈根學派認為，回到微觀的量子世界，再荒謬至極的事實，都可能在量子世界中出現。

　　於是，科學史上那段著名的論戰拉開了序幕。以愛因斯坦為首的經典派對哥本哈根學派發起了猛烈的攻擊，每次針鋒相對都閃耀著智慧甚至是藝術的火花。

　　愛因斯坦：上帝不擲骰子！

　　玻爾：請不要告訴上帝應該怎麼做！

　　這段經典的對話，便是這場論戰的開端與往後爭論的核心。

　　與愛因斯坦同一陣線的薛定諤，更是為了反駁“概率詮釋”學説而舉了一個他本人認為“荒誕至極”的例子：把一隻貓和一套通過放射性元素驅動的毒藥釋放系統一起放在盒子裏，在打開盒子觀察前，貓同時處於“活著”和“被毒死了”雙重狀態的疊加態中，這便是鼎鼎大名的“薛定諤的貓”。

　　值得一提的是，薛定諤肯定沒有想到，自己提出的這個用來反駁哥本哈根學説，認為其荒謬、與現實格格不入的實驗，被不少人誤認為是“概率詮釋”的一個經典論點。

　　一般認為，在科學上一個人沒取得的成就，在未來肯定會有另一個人代替他成功。但是玻爾創造的“哥本哈根精神”卻是無法複製的。這是一種在切磋中提高，在爭論中完善，平等無拘束地討論和緊密合作的學術氣氛，就是要在辯論中，推動量子力學的發展，這非常符合玻爾的個性與主張。

　　如今，距離那場世紀論戰已經過去了許多年，物理學界中最受普遍認可的哥本哈根學派“概率詮釋”學説也依然面對許多爭議。

　　儘管玻爾與愛因斯坦終生都在爭辯，卻絲毫不影響兩人的友誼。無論誰離開了誰，這條量子銀河都會變得黯淡無光。

　　“沒有人真正理解量子力學”

　　在1958年出版的《物理學與哲學：現代科學中的革命》一書中，維爾納海森堡講述了在與尼爾斯玻爾進行那些徹夜長談後，他是如何不斷地對自己説：“自然真的有可能如此荒謬嗎？”因為量子世界看起來是如此的不合常理，以及如此的有違直覺，以至於理查德費曼説出了關於那句著名的話：“沒有人真正理解量子力學。”

　　儘管量子力學已經一次又一次地證明了它的預測能力，但這並不能削弱這樣一個事實：除了哥本哈根詮釋外，科學界還有對量子理論的諸多詮釋。

　　多世界詮釋認為波函數是物理上真實的，薛定諤方程恰恰就是一種對現實的描述。當你對同時處於不同位置的疊加的粒子進行測量時，被測量的粒子事實上在不同版本的現實中在所有那些位置出現。換句話説，這就意味著，你所處的兩個“現實”分叉成了兩個不同的分支。這聽起來像是，如果你在這個現實裏做了什麼糟糕的

　　決定，別擔心，也許在另一個現實中，你仍然可以獲得一個完美的結果。多世界詮釋也是經常被流行文化借用的一種。多世界詮釋帶來了一個問題——它讓概率失去了意義。

　　為了解決多世界詮釋在概率上的問題，一些科學家發展出了宇宙學詮釋。這種詮釋認為，如果有無窮個宇宙，那麼多世界詮釋一定成立，因為有無窮個“你”正在進行實驗，而現實將會按照概率的比例進行分裂。這樣一來，經典概率就仍然存在意義。

　　還有科學家提出“隱變數”的猜想：也許粒子的性質具有一些“秘密”的變數，它其實是一種確定的狀態，只是我們不知道而已，而直到我們測量才會發現。

　　科學家在隱變數理論的基礎上提出了“非定域隱變數理論”，也就是德布羅意—玻姆詮釋。這種詮釋認為粒子是真實存在的，它們在我們看不見的導波的引導下運動。

　　此外，還有量子貝葉斯主義、量子達爾文主義、交易詮釋、關係性詮釋等，許多物理學家提出了不同的想法和觀點。但也有一些科學家因此相信，這麼多種不同詮釋的出現，恰恰意味著，量子力學中還有一些非常基礎和根本的部分等待著被發掘。

　　“多個世界”與“多個歷史”

　　人們提出了上述各種各樣量子力學詮釋，其核心思想本質上來自於邏輯簡練、物理寓意深遠、但圖像十分反直覺的多世界詮釋。多世界理論表達的是“一個波函數，多個世界”，而由它發展出來的各類詮釋，大都基於自洽歷史，講的是“一個世界，多個歷史”，只不過各自的著眼點與側重點不同。

　　由於不當解釋和以訛傳訛，多世界詮釋被污名化了許久。特別是目前不少人覺得哥本哈根詮釋的正確是天經地義的，而多世界詮釋則被認為是形而上學，甚至是偽科學。

　　正是由於量子力學的哥本哈根詮釋強調必須借助經典世界，從邏輯上講是不自洽的。從哲學角度講，量子力學的哥本哈根版本是一種二元論，而一個理想的完美的理論應該是一元論：一切源於量子，經典只是量子體系宏觀極限下的“衍生”現象。

　　無論如何，把不可觀測的特性引入到物理學中，物理學就變成了玄學。當務之急是給波函數找到一個可以測量驗證的、觀測不會導致波函數坍縮的解釋。

　　量子力學在多個領域為世界帶來變化。從第一個電晶體到今天的科技社會，再到或許在不久的將來就能成為現實的量子電腦。我們不能完全理解它並不要緊，因為物理學家自己也不能完全理解它。我們能做的就是聽從費曼的建議，“放鬆心情，盡情享受”，然後期待“新物理學”的誕生，為探求世界宇宙開啟新的篇章。