量子理論,是導(dǎo)出量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論,也是導(dǎo)出量子電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論之一.尼?玻爾指出:誰不為量子理論所震驚,誰就不理解量子理論.自從量子理論創(chuàng)立以來,就一直受到來自各個(gè)方面的質(zhì)疑——這些質(zhì)疑對(duì)于量子力學(xué)的正確性和應(yīng)用無關(guān),而是牽扯到關(guān)于量子力學(xué)理論的物理解釋——愛因斯坦是量子理論的早期創(chuàng)立者之一,也正是他最堅(jiān)定地質(zhì)疑和否認(rèn)量子理論的完備性.愛因斯坦和玻爾之爭(zhēng),已經(jīng)成為科學(xué)史上的重大事件.盡管人們現(xiàn)在傾向于認(rèn)為愛因斯坦的努力是徒勞的,但是在愛因斯坦和玻爾身后,對(duì)于量子理論的質(zhì)疑從未停止過.甚至在物理學(xué)家中,也存在許多種不同的理論模型闡述量子理論的本質(zhì).從來沒有一種解釋模型在物理學(xué)家中取得壓倒優(yōu)勢(shì),更不用說取得共識(shí)了.這是很不尋常的事,科學(xué)理論與哲學(xué)理論、社會(huì)理論、經(jīng)濟(jì)理論不同,科學(xué)理論因其能夠取得高度共識(shí)而聞名,在科學(xué)史上,從來沒有一種完備的理論得到廣泛的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持而從未發(fā)現(xiàn)一個(gè)反例,并且在實(shí)際應(yīng)用中取得巨大成就之后,仍然受到長期而廣泛的質(zhì)疑——但是,量子理論除外.

關(guān)于量子理論的爭(zhēng)議和質(zhì)疑并不局限于物理學(xué)內(nèi)部,更多的與人們的哲學(xué)觀念有關(guān),特別是與人們關(guān)于"實(shí)在"的認(rèn)識(shí)有關(guān).

一、量子理論是什么?

量子理論是為了解釋和預(yù)言微觀領(lǐng)域(基本粒子、原子、分子領(lǐng)域)的特殊現(xiàn)象提出的一系列獨(dú)立假設(shè).從這些假設(shè)可以導(dǎo)出量子力學(xué).并不是所有這些假設(shè)都受到質(zhì)疑——比如"普朗克-愛因斯坦量子假設(shè)"、"海森堡不確定性假設(shè)"、"量子態(tài)演化假設(shè)"(薛定諤方程)——現(xiàn)在人們很少或者不再質(zhì)疑這些假設(shè),仍然受到質(zhì)疑的主要是"波粒二象性假設(shè)"、"量子態(tài)疊加假設(shè)"和"量子態(tài)坍縮假設(shè)".下面說明一下這些假設(shè)的含義(大致了解量子理論的人可以跳過):

1、"波粒二象性假設(shè)"宣稱:微觀領(lǐng)域的對(duì)象,比如光子、電子這些事物,它們既是粒子又是波;或者說它們既不是粒子又不是波,但是可以表現(xiàn)出像波一樣的現(xiàn)象——它具有"似波性",也可以表現(xiàn)出像粒子一樣的性質(zhì)——也具有"似粒子性".在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,轉(zhuǎn)播途徑中來自兩條縫的光相互干涉,表現(xiàn)出十分確定的"波動(dòng)性";但是到達(dá)顯示屏的時(shí)候,總是作為一個(gè)個(gè)完整的光子被觀測(cè)到,表現(xiàn)出十分確定的"粒子性".量子理論的標(biāo)準(zhǔn)解釋——哥本哈根解釋認(rèn)為這并不矛盾,而是互補(bǔ)的關(guān)系.粒子在傳播途徑中表現(xiàn)出波動(dòng)性——它像某種波一樣傳播,表現(xiàn)出波所具有的特殊性質(zhì):衍射、干涉、散射等;粒子在發(fā)射或者到達(dá)的時(shí)候,總是表現(xiàn)為一個(gè)個(gè)完整的粒子,表現(xiàn)出不可分割的粒子的性質(zhì).這兩種性質(zhì)結(jié)合在一起,構(gòu)成了粒子完整的性質(zhì)——波粒二象性.哥本哈根解釋宣稱:我們絕不會(huì)遇到兩種相互矛盾的性質(zhì)同時(shí)表現(xiàn)出來的單一實(shí)驗(yàn).事實(shí)確實(shí)如此,至少迄今為止,我們并沒有發(fā)現(xiàn)這樣的實(shí)驗(yàn).

2、"量子態(tài)疊加假設(shè)"宣稱:在沒有被觀測(cè)的時(shí)候,粒子并不像宏觀物體一樣表現(xiàn)為某種固定的狀態(tài),而是表現(xiàn)為極為不同的量子狀態(tài)——量子態(tài).這種量子態(tài)由"波函數(shù)"來描述,有關(guān)波函數(shù)的薛定諤方程,則描述沒有被觀測(cè)的時(shí)候,波函數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律.與宏觀物體更為不同的是:粒子不一定處于一種單一的、確定的量子態(tài),也可以處于兩個(gè)甚至兩個(gè)以上量子態(tài)的疊加狀態(tài).

愛因斯坦對(duì)這一假設(shè)十分不滿,他深惡痛絕這一假設(shè)包含的"超距作用的幽靈".

在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中(為了簡(jiǎn)單而又保持理論的本質(zhì),本文盡量采用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)和偏振光實(shí)驗(yàn)舉例.盡管光子的性質(zhì)比較復(fù)雜,實(shí)際上并不屬于量子力學(xué),而是屬于量子場(chǎng)論(量子電動(dòng)力學(xué))的范圍,但是這些關(guān)于光子的實(shí)驗(yàn)在解釋量子力學(xué)原理的時(shí)候更加簡(jiǎn)潔直觀,而且不影響理論的本質(zhì).一些大師級(jí)人物也是這樣處理的.)光子通過(縫1)是一種量子態(tài)ψ1,光子通過(縫2)是一種量子狀態(tài)ψ2,按照我們?cè)诤暧^世界觀察到的經(jīng)驗(yàn),一個(gè)物體要么經(jīng)過(縫1),要么經(jīng)過(縫2),一個(gè)穿過了雙縫的物體,要么處于ψ1態(tài),要么處于ψ2態(tài),不存在其他可能.在這里,量子理論與我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)有根本的沖突,"量子態(tài)疊加假設(shè)"堅(jiān)稱:在沒有被觀測(cè)的時(shí)候,一個(gè)穿過了雙縫的光子,不可能處于ψ1或者ψ2的任何一種狀態(tài),而是處于這兩種狀態(tài)的疊加狀態(tài),也就是(ψ1+ψ2)這種奇怪的量子態(tài).

無法對(duì)(ψ1+ψ2)這種量子態(tài)給予實(shí)在的解說,不能用現(xiàn)實(shí)中的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)形象地說明(ψ1+ψ2)這種量子態(tài)究竟是什么樣的狀態(tài).這似乎暗示著同一個(gè)光子以某種未知的方式同時(shí)穿過兩條縫,但是哥本哈根解釋拒絕這種看法,玻爾和其他哥本哈根解釋的捍衛(wèi)者們堅(jiān)持一種更加激進(jìn)的哲學(xué),他們認(rèn)為在沒有觀測(cè)的時(shí)候宣稱粒子穿越某一條縫或者是穿越了兩條縫,這是沒有意義的.人能夠觀測(cè)的只有現(xiàn)象,現(xiàn)象,是人們能夠觀測(cè)的最終的實(shí)在,不能假設(shè)在現(xiàn)象的背后還有一種不可觀測(cè)的神秘的實(shí)在——比如物自體等等.現(xiàn)象只有在被觀測(cè)之后才成為現(xiàn)象,在沒有觀測(cè)的時(shí)候,就沒有現(xiàn)象存在.沒有被觀測(cè)的時(shí)候,問粒子穿越某一條縫或者是穿越了兩條縫,這是沒有意義的,因?yàn)槟抢锊]有任何現(xiàn)象發(fā)生.

量子態(tài)疊加假設(shè)十分重要,是量子理論不可或缺的環(huán)節(jié),它能夠和其他假設(shè)結(jié)合,解釋和預(yù)測(cè)一切有關(guān)的物理現(xiàn)象,精確到使人驚異的程度,更加令人印象深刻的是:從來沒有一個(gè)與其預(yù)測(cè)不符的事例被觀測(cè)到.

三、"量子態(tài)坍縮假設(shè)"自始至終受到最為廣泛的質(zhì)疑,很多物理學(xué)家被迫接受量子理論的多世界解釋、系綜解釋等,就是因?yàn)椴荒苋萑踢@個(gè)難看的瘡疤."量子態(tài)坍縮假設(shè)"宣稱:在沒有被觀測(cè)的時(shí)候,粒子的量子態(tài)按照薛定諤方程演化,每一個(gè)描述粒子狀態(tài)的力學(xué)量(比如動(dòng)量、位置等等)都不是唯一的,都存在幾種甚至許多種可能的值.每一種可能的值出現(xiàn)的概率不同,但是出現(xiàn)的概率是確定的——這有薛定諤方程決定.一旦進(jìn)行觀測(cè),隨時(shí)間演化的量子態(tài)立即坍縮.只有一種可能性立即成為現(xiàn)實(shí),出現(xiàn)其他值的可能性立即變?yōu)?,其他值出現(xiàn)的概率立即變成0.隨時(shí)間演化的波函數(shù)立即終止,一個(gè)新的波函數(shù)從這里開始,仍然按照薛定諤方程描述的形式開始隨時(shí)間演化.

比如在一個(gè)封閉的真空的箱子中發(fā)射一個(gè)電子,電子一旦離開發(fā)射器,只要沒有被觀測(cè),它的波函數(shù)就開始按照薛定諤方程隨時(shí)間演化,它有可能在箱子里任何地方.在任何時(shí)間、任何一個(gè)位置都有一個(gè)出現(xiàn)的概率.并不是電子確實(shí)在某一個(gè)位置我們不知道,而是電子確實(shí)不在任何一個(gè)確定的位置.一旦進(jìn)行觀測(cè),一旦在一個(gè)區(qū)域A觀測(cè)到電子,電子的波函數(shù)立即坍縮,它在位置A出現(xiàn)的概率從原來的萬分之一或者億萬分之一突然變成了1,在其他任何位置出現(xiàn)的概率立即變?yōu)?.并不是電子確實(shí)在那里而被觀測(cè)到,而是因?yàn)橛^測(cè)造成電子波函數(shù)的坍陷.認(rèn)為這兩者沒有區(qū)別是錯(cuò)誤的,這有十分明顯的區(qū)別."量子態(tài)坍縮假設(shè)"對(duì)量子理論十分重要,沒有這個(gè)假設(shè),現(xiàn)有的量子理論就無法成立.

量子理論與牛頓力學(xué)、相對(duì)論等經(jīng)典的理論不同,經(jīng)典理論能夠從幾個(gè)簡(jiǎn)單的明顯成立的假設(shè)出發(fā)解釋大量的現(xiàn)象、預(yù)測(cè)大量的結(jié)果,那是人類理性的驚人成就.量子理論在解釋現(xiàn)象和預(yù)測(cè)結(jié)果的精度和廣度上超越現(xiàn)有的一切理論,但是,量子理論卻是建立在一系列看似荒謬的假設(shè)之上.沒有人自愿接受這些假設(shè),我們之所以接受,是因?yàn)椴坏貌蝗绱?沒有發(fā)現(xiàn)任何更加簡(jiǎn)單優(yōu)美的假設(shè)能夠取代這些假設(shè).量子理論既不簡(jiǎn)單,也不優(yōu)美,像一個(gè)綴滿各種補(bǔ)丁的破舊棉袍,但是它比其他任何衣服更實(shí)用.

愛因斯坦認(rèn)為量子理論是不完備的,在這些稀奇古怪的假設(shè)背后,肯定隱藏著某種更基本的東西.

以下將要證明,這些假設(shè)會(huì)引發(fā)一系列的悖論.量子理論已經(jīng)陷于不可自拔的哲學(xué)困境.不可能通過修改哲學(xué)或者邏輯學(xué)的方法擺脫這一困境——量子理論的一些基本假設(shè)必須修改.并且確實(shí)存在更加簡(jiǎn)潔的假設(shè),既能像那些假設(shè)一樣導(dǎo)出量子力學(xué),又能避免其哲學(xué)困境.