互动科普

量子力学荒唐吗？

 “薛定谔猫”假想实验是否能够说明量子力学胡说八道，十分荒唐呢？

爱因斯坦等人的看法是，量子力学也应该是决定论的。他们认为，自然界有一些量子力学没有涉及的“隐参量”，只要能够找出这些隐参量，量子力学就会变成是决定论的。如果微观世界也是决定论的话，就不会有“薛定谔猫”的难题，也就不必多此一举地在宏观世界和微观世界之间进行调和。不过，直到现在，物理学家也没有找到这样的“隐参量”。

玻尔等人主张的“哥本哈根诠释”

如果无法避免微观世界的非决定论，那么，怎样调和微观世界的非决定论和宏观世界的决定论之间的矛盾就是一个必须解决的问题。

在双缝实验中，电子从发射出来到抵达观测装置之前（被观测以前）具有类似于波的扩展性，电子到达观测装置与之碰撞的瞬间，才在观测装置的某一个位置留下一个点状的撞击痕迹。对于这种现象的一种解释是，“具有扩展形式的电子波在某一点突然收缩，以粒子的形式表现出来”。这是对量子力学的发展做出过重大贡献的尼尔斯·玻尔（1885〜1962）所领导的一个物理学家小组极力主张的一种看法，由于他们的研究据点设在丹麦的首都哥本哈根，因而被称为“哥本哈根诠释”。哥本哈根诠释被认为是对量子力学的一种基本诠释，本文所作的说明依据的就是这种诠释。

然而，说电子波在某一点发生收缩也引来了许多的疑问。例如，收缩是以怎样的机制发生的？为什么不是在别的地点而是在这一点收缩？作为引起收缩的原因的“观测”究竟指的是什么？等等。对于这些疑问，哥本哈根诠释都没有给出明确的回答，所以才会有“薛定谔猫”的难题。

图1. 哥本哈根诠释

图为在电子有可能被观测到的区域，电子作为波在其中的某个位置从扩展状态收缩为一点，作为粒子在该处留下撞击的痕迹。

量子力学支撑起现代社会

如此说来，靠哥本哈根诠释来解释物理意义的量子力学岂不成了一种荒唐的理论？当然不是这样。对于微观粒子的运动虽然不能做出决定论的预测，却可以进行概率计算，实际上，这种概率计算还是非常正确的。

例如在计算机或者移动电话等电器中会用到许多半导体，而这些半导体内的电子的运动只有借助量子力学才能得到说明。虽然我们不知道一个一个电子的运动，然而，面对庞大数量的电子，关于它们的整体行为，却几乎是可以完全预测的。这里的道理同投掷硬币作概率预测相同。投掷1万枚硬币，我们可以根据概率有把握地预先做出判断，出现正面和反面的硬币数目所占的比例大致各为50%。因此，说现代社会靠量子力学支撑，这话绝不过分。

设想还存在着“其他世界”的“多世界诠释”

将量子力学解释为“波收缩变成粒子”毕竟有些勉强，不好理解。那么，我们这里再来介绍一种叫做“多世界诠释”的不同解释。

在被观测以前，电子的位置是不确定的。这句话意味着电子的位置具有各种各样的可能性。按照哥本哈根诠释，正是各种各样的这种可能性（表现为波的扩展区域）在观测的瞬间收缩成了一点。那么，“电子在其他地点被观测到的可能性”到哪里去了，为什么会消失？

在多世界诠释中对于这个疑问是这样回答的：“电子在其他地点被观测到的可能性”并没有消失，那些可能性作为“其他世界”依然存在。我们通过观测在某一点发现了电子，然而同时还存在着能够在其他位置发现电子的“其他世界”。我们只是无法认识这些“其他世界”而已。

如果接受这种多世界诠释，我们就不必坚持那种“波收缩变成粒子”的哥本哈根诠释。可是，我们在心理上实在是难以接受这种认为存在着巨大数量的“其他世界”的假设。而且，若问“在我们这个世界究竟会在什么地点观测到电子”，我们仍然只能做出概率的回答。在这种意义上，多世界诠释仍旧是一种非决定论。

图2. 多世界诠释

在进行观测的瞬间，电子被观测到的地点在彼此区分开来的一个个世界中各不相同，这些世界互相分隔，没有联系。

没有人理解量子力学？

有人还提出了一种“量子消相干”的概念企图调和微观世界和宏观世界的矛盾。量子消相干的意思，以“薛定谔猫”为例，是说那只猫的既生又死的重合状态（共存状态）受到周围各种各样“噪声”的影响会立即崩溃。共存状态涉及的粒子数目越多，越容易崩溃，所以宏观世界中的物体实际上不会表现出非决定论的性质。

对于量子力学有各种不同的“诠释”，而且量子力学已经证明是对微观世界进行计算的一件十分有效的工具。可是，微观世界究竟是什么样子，还没有一种“诠释”能够描绘出一幅能够被普遍接受的图像，以至于著名的美国物理学家理查德·费曼（1918〜1988）会说出这样的话：“甚至那些正在使用量子力学的人也没有谁真正理解了量子力学。”

有可能成为终极理论的“超弦理论”也是非决定论

量子力学未能把“引力”（万有引力）效应成功地纳入它的理论框架，因此还不能说量子力学是体现了自然界基本原理的一种终极理论。现在正在研究中的“超弦理论”被许多人认为是一种有可能成为这种终极理论的理论。不过，同量子力学一样，超弦理论也是一种非决定论理论。如果超弦理论是正确的，那么，这个世界从根本上说就是非决定论的，也就是说，未来并没有被决定。

于是，这里仍然有一个宏观世界是否符合决定论的问题需要考虑。这是因为，我们还不知道微观世界的非决定论性质对宏观世界有怎样的影响。

至少，我们知道像网球这样大小的物体，它们的运动没有显示出受到微观世界影响的迹象（即使有影响，也小到可以忽略）。然而事实是，在合适的条件下，比如在双缝实验中，我们却目睹了电子的非决定论行为。前不久，实验还证实比原子大得多的“富勒烯”（一种由60个碳原子构成的球壳状分子）也能够发生干涉（即表现出波的性质）。不过，探索宏观和微观两者之间界限的实验极其精细，做起来困难很大。

现代科学还没有答案的问题

其实还有一些比进行实验更难更复杂的问题，比如说，我们的意志是否是按照决定论预先已经被决定的问题。关于这个问题，现在的科学还无法给出明确回答。

目前，物理学只能给出这样的回答：“这个世界从根本上说非常有可能是一个非决定论的世界。至于这种非决定论性质对宏观世界有怎样的影响，目前还不知道。” 

（本文发表于《科学世界》2011年第6期）