有人說，我們這個時代是祛魅的時代。過去，人們普遍迷信周圍存在著魑魅魍魎、山精水怪，害怕它們會時不時出來作祟。如今，這些迷信都被科學(xué)掃蕩干凈?！办铟取本褪鞘勾笞匀蛔兊貌辉偕衩氐囊馑?。
可是，說來也夠怪的，正當(dāng)我們對身邊的大自然（即宏觀世界）祛魅之時，在由原子和基本粒子組成的微觀世界里，正神秘地發(fā)生著種種令人匪夷所思的事情，仿佛那里成了鬼魅們藏身的最后一塊地盤。
鬼魅般的量子世界
從某種意義上說，微觀世界的粒子表現(xiàn)得比鬼魅還神秘。你瞧：它時而是粒子，時而是波，玩著種種變形記；它在同一時刻，既可以在這里，又可以在那里，仿佛有分身術(shù)（這種同一時刻集多種可能性于一身的現(xiàn)象，叫疊加態(tài)）……總之，完全不像我們熟悉的事物。我們平常說的“現(xiàn)實”指的是一切事物都確定、有規(guī)律可循的世界，而這些粒子表現(xiàn)出來的卻是完全不確定，所以可以說它并非存在于現(xiàn)實之中。它好像存在于一團模糊的“云”中，但“云深不知處”。
什么時候粒子的“身份”“位置”等屬性才能確定下來呢？答案是，測量的時候。測量是宏觀世界和微觀世界的“交鋒”。既然在宏觀世界，一切都是確定的，那么每一次測量，粒子也必須給我們一個毫不含糊的交代：有就是有（意味著它在這里），沒有就是沒有（意味著它不在這里）。換句話說，它必須選定一種確定的方式呈現(xiàn)。但吊詭的是，盡管測量條件完全相同，每次的測量結(jié)果卻可能都不一樣，就好像投硬幣，雖然每一次落地結(jié)果是確定的（不是正面就是反面朝上），但正反卻是我們無法預(yù)料的。
不過，粒子的行為跟投硬幣又有本質(zhì)的區(qū)別。對于硬幣的不確定性，經(jīng)典物理學(xué)說，那是因為我們沒有掌握影響其結(jié)果的一切因素，比如投擲的力有多大，方向如何，當(dāng)時的空氣狀況如何，等等。一旦知道了這一切，我們就能準(zhǔn)確預(yù)測每一次的投擲結(jié)果。而粒子的“任性”是量子物體與生俱來的特征，跟外界無關(guān)，也是我們無法左右的。
所以，對于拋擲中的硬幣，雖然正反不確定，我們還是會說它處于現(xiàn)實之中；但對于還未測量的粒子，就只能說它處于“非現(xiàn)實”之中了（至于什么樣的“非現(xiàn)實”，物理學(xué)家就詞窮了），一直要等到它被我們測量，結(jié)果確定了，我們才說，它回到了現(xiàn)實中。
更加詭異的波函數(shù)坍縮
在物理學(xué)上，描述微觀粒子的理論叫“量子力學(xué)”。它是在20世紀(jì)20年代發(fā)展起來的，目的是解釋為什么像電子這樣的微觀粒子有時表現(xiàn)得像波，而像光這樣的波有時卻表現(xiàn)得像粒子（光子）——以及為什么在原子中，電子所處的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，只能取某些特定值，像樓梯（這樣的能量狀態(tài)叫能級）而不像滑梯。量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一薛定諤發(fā)明了一個方程，用“波函數(shù)”來描述粒子的這種模棱兩可的行為。一個粒子的所有信息（如位置、能量、自旋等）都包含在它的波函數(shù)中。你可以用波函數(shù)可靠地計算出，如果測量它，它處于某種特定狀態(tài)的概率有多大，比如說位置，在A位置的概率有多大，在B位置的概率又有多大等。
后來，為了解決粒子如何從“非現(xiàn)實”中現(xiàn)身現(xiàn)實，另一位物理學(xué)家馮·諾依曼又引入了“波函數(shù)坍縮”的概念。他說，盡管波函數(shù)中包含著粒子的所有可能性，但在測量時，波函數(shù)瞬間“坍縮”了，像一團飄忽的“不確定”的云，瞬間凝聚成一滴“確定”的雨點，于是粒子從眾多可能性中選擇了一種呈現(xiàn)給我們。但注意，這僅僅是一次測量，因為每次測量，粒子選擇呈現(xiàn)給我們的可能性都不一樣。換句話說，每一次測量的結(jié)果都是隨機的。不過，重復(fù)測量卻又符合用薛定諤方程預(yù)測的概率。還是拿拋硬幣做比方，盡管每次正反朝上的結(jié)果是隨機的，但重復(fù)拋，最終還是符合兩種結(jié)果1:1的預(yù)測的。
這個波函數(shù)坍縮的理論，通常被稱為量子力學(xué)的哥本哈根派解釋。因為這一派物理學(xué)家的大本營在丹麥的哥本哈根。根據(jù)哥本哈根派的說法，波函數(shù)坍縮是不需要時間（零時間）、沒任何預(yù)兆、隨機發(fā)生的?？墒牵@個過程到底是怎么回事，他們卻沒給出進一步的解釋，甚至連“波函數(shù)坍縮是不是一個真實的物理過程”，他們自己都說不清。這就為其蒙上了一層神秘的面紗。
各種替代解釋
雖然量子力學(xué)解釋各種物理現(xiàn)象所向披靡，但對自己的“波函數(shù)坍縮”卻至今解釋不了。長期以來，這是它的一個“心病”。
為避免這種尷尬的局面，后來的理論家們也提出了各種替代方案。例如，在由美國物理學(xué)家休·埃弗雷特提出的“多世界解釋”中，波函數(shù)坍縮是不必要的。它說，當(dāng)進行測量時，波函數(shù)中包含的所有可能結(jié)果都會在許多不同的世界中成為現(xiàn)實。比如說，粒子的狀態(tài)有兩種可能：衰變/沒衰變。現(xiàn)在去測量它有沒有衰變，測得結(jié)果是它衰變了。但這個結(jié)果僅僅發(fā)生在我們這個世界，在另一世界，粒子選擇呈現(xiàn)的卻是另一種結(jié)果——沒衰變。只是在測量時，那個世界與我們的世界分道揚鑣了。推而廣之，對粒子做的每一次測量，都會造成世界的一次新的分裂——這就是“多世界解釋”這個名稱的由來。
這理論也很神秘，是不是？但它的擁躉還不少呢。
另一種解釋是由美國物理學(xué)家波姆提出來的，通常稱為“波姆力學(xué)”。在這個理論中，波函數(shù)被理解成引導(dǎo)粒子運動的一種“導(dǎo)航波”，由它將“云里霧里”的粒子引導(dǎo)到一個確定的狀態(tài)。只是要描述這個引導(dǎo)過程，哥本哈根派的波函數(shù)中還少了一點東西，需要在其中增加一個額外的變量，波姆稱其為“隱變量”?！半[”即至今隱藏著，還未被發(fā)現(xiàn)的意思。波姆本人終其一生都在尋找這個隱變量。這個理論也認(rèn)為波函數(shù)坍縮是不必要的。
還有一種解釋，稱為“客觀坍縮”解釋。它說，波函數(shù)坍縮是一個真實的物理過程，但像波姆一樣，也認(rèn)為需要在薛定諤方程中增加了一個額外的變量來描述這個過程。
事實上，替代方案很多，限于篇幅，這里僅舉三種。
量子軌跡理論
所有這些解決方案都有自己的問題，這就是為什么物理學(xué)家?guī)资陙硪恢痹跔幷摰脑颉幷摶旧蠜]有結(jié)果，因為沒有任何確鑿的證據(jù)能幫助人們做出選擇。美國耶魯大學(xué)的物理學(xué)家茲拉特科·米涅夫試圖改變這一局面，最近他和他的同事做了一項雄心勃勃的實驗，旨在比以往任何時候都更敏感地探索涉及量子的測量問題。
為了理解他們的結(jié)果，讓我們先來了解一種鮮為人知的理論——量子軌跡理論。它是在20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的，用來追蹤一個量子物體在測量過程中隨著時間而發(fā)生的變化。
量子軌跡理論完全是從常規(guī)量子力學(xué)發(fā)展出來的。薛定諤方程只能描述孤立的量子系統(tǒng)，而量子軌跡理論可以描述量子物體與環(huán)境的相互作用。相互作用的結(jié)果是，量子物體漸漸失去其量子性，表現(xiàn)為經(jīng)典物體（可用經(jīng)典物理學(xué)描述的物體）。譬如說，原來具有波動性的粒子，不再表現(xiàn)出波動性；原來量子糾纏的一群粒子失去糾纏性，等等。這樣一個從量子物體退化為經(jīng)典物體的過程，物理學(xué)上叫退相干。其實，退相干是一種非常普遍的現(xiàn)象。因為我們知道，宏觀物體都是由微觀粒子組成的，既然微觀粒子具有量子性，為什么大量微觀粒子組成的宏觀物體就不再具有量子性了呢？對了，就是因為退相干。
多年以來，物理學(xué)家試圖用量子軌跡理論來分析一些典型的量子過程，譬如量子躍遷（所謂量子躍遷，就是原子在各種能量狀態(tài)之間的跳躍，跳躍時吸收或者發(fā)射一個光子），但要得出準(zhǔn)確的結(jié)果，難度極大。你得要知道幾乎所有發(fā)生的事情。例如，你需要以非常短的時間間隔不斷檢查光子是否已發(fā)射。你不能錯過一個光子。每次檢查時，都必須考慮原子在發(fā)射光子時所產(chǎn)生的反沖力對自己的影響（就像子彈射出后，槍座受到反沖，位置有輕微的改變）。這個難度有多大，外行幾乎難以想象。所以迄今為止，物理學(xué)家在這方面的努力一直受挫。
量子躍遷不再神秘
現(xiàn)在，這種狀況已經(jīng)改變。美國物理學(xué)家米涅夫領(lǐng)導(dǎo)的團隊用超導(dǎo)體構(gòu)建一個人造原子，這個人造原子具有真實原子的基本特征（比如說它的能量狀態(tài)也是不連續(xù)的，像梯級）。然后，他們用微波激發(fā)這個“原子”，讓它從能量低的基態(tài)躍遷到能量高的激發(fā)態(tài)，而后，人造原子將發(fā)射一個光子，從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)。在這過程中，他們以無與倫比的精確度觀察了量子躍遷。
按哥本哈根派的解釋，量子躍遷就是一種波函數(shù)坍縮的過程：當(dāng)觀測一個處于激發(fā)態(tài)的粒子時，粒子的波函數(shù)坍縮，導(dǎo)致它回到基態(tài)。因此，量子躍遷也被認(rèn)為是一種零時間、沒任何預(yù)兆、隨機發(fā)生的。
但米涅夫等人觀察到的量子躍遷要比這復(fù)雜得多。他們所看到的量子躍遷，隨著時間，是連續(xù)漸進地發(fā)生的：處于較高能量狀態(tài)的原子，在持續(xù)觀測的作用下（因為觀測一個物體，需要通過與它相互作用才能實現(xiàn)，譬如向它發(fā)射光子，然后接收發(fā)射回來的光子），不斷失去穩(wěn)定性，觀測所施加的影響不斷累積，最后才發(fā)生躍遷。打個比方，這就好比一個人，不停地被人推搡，身子搖晃得越來越厲害，最后失去平衡，才一頭栽倒在地。為了向公眾展示這一過程，他們還錄制了一段慢鏡頭，鏡頭中量子躍遷就像一個雪人在陽光下融化一樣，緩慢發(fā)生。
此外，米涅夫等人看到，量子躍遷發(fā)生的時刻雖然是隨機的，但在即將發(fā)生之前有一種預(yù)兆：粒子的擺動會變得異常平靜，就好像火山爆發(fā)前會有一段異常平靜的時間。因有這個預(yù)兆，他們還可以阻止即將發(fā)生的量子躍遷，讓系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。這樣，原先被哥本哈根派認(rèn)為與生俱來的量子隨機性，現(xiàn)在被證明在一定程度上是可以控制的。
假如我們把量子物體比喻成一個愛發(fā)脾氣的人，雖然他何時發(fā)脾氣是隨機的、無法預(yù)料的，但因為他發(fā)脾氣之前總有預(yù)兆，我們一旦觀察到預(yù)兆，及時安撫，就可以讓他把氣消掉。
“波函數(shù)坍縮”——一個多余的假設(shè)
如果沿用哥本哈根派“波函數(shù)坍縮”的概念，那么米涅夫等人的工作證實了，“波函數(shù)坍縮”是一個實實在在的物理過程，而前面提到，哥本哈根派在這個問題上是支吾其詞的，因為他們把“波函數(shù)坍縮”搞得太神秘了，連自己都不相信是否實有其事。
哥本哈根派認(rèn)為，在觀測過程中，“波函數(shù)坍縮”是不可避免的，這又賦予了“觀測”很大的神秘性，似乎“波函數(shù)坍縮”完全取決于觀測。這一觀點的一個極端例子是薛定諤的貓實驗。在那個實驗中，貓的生死都完全取決于你是否打開箱子去觀測。
但米涅夫等人給“觀測”祛了魅，告訴我們，對量子物體的測量跟對宏觀物體的測量沒有本質(zhì)的區(qū)別，都不過是測量工具對測量物體施加的作用。他們甚至提出，只要小心控制量子物體與測量工具的相互作用，就可以將干擾降到最低，從而在進行測量時避免“波函數(shù)坍縮”。而這也意味著，我們可以對一個量子系統(tǒng)進行理想的測量，即在測量時不破壞它的量子態(tài)。這對于量子計算機的研究具有重大意義。
與此同時，這些成果給了我們很多值得深思的地方，其中一個重要的含義是，“波函數(shù)坍縮”的概念完全是一個多余的假設(shè)。就量子躍遷而言，只需要考慮量子與測量工具的相互作用，即可解釋，不需要引入玄乎其玄的“波函數(shù)坍縮”。
在熱學(xué)上，也曾經(jīng)有過“一個假設(shè)最后被認(rèn)為多余”的例子。我們知道，在顯微鏡下，花粉顆粒在液體中不停地做無規(guī)則運動，這叫“布朗運動”。在分子學(xué)說提出之前，人們杜撰出一個小精靈，說是它在推動著花粉運動。等到分子學(xué)說提出來后，大家才知道，花粉是因為受到環(huán)境中液體分子的碰撞才不停運動的。于是，假設(shè)一個小精靈就沒必要了。
能否給量子世界徹底祛魅？
那么，現(xiàn)在該如何理解測量結(jié)果的隨機性呢？譬如測量同一個量子物體，這一刻測得它在這里，下一刻測量，它又不在這里了，這怎么解釋？根據(jù)哥本哈根派的說法，那是量子物體與生俱來的任性，單次的測量結(jié)果只能隨它自己高興，我們也拿它沒辦法，但多次測量得到的統(tǒng)計結(jié)果，還是會符合我們的預(yù)期的。
現(xiàn)在，我們可以對測量結(jié)果的隨機性給出更合理的解釋。假設(shè)你想在顯微鏡下測量一個粒子的位置。要知道它的位置信息，你需要向它發(fā)射光子，然后接收發(fā)射回來的光子。譬如顯微鏡聚焦后，接收到的光子告訴你，粒子處于顯微鏡視域的中心位置?？墒?，光子打到粒子上之后，可能就把粒子撞到遠(yuǎn)處去了。假如你還是以原來的聚焦條件進行第二次觀測，粒子就不在老地方了。你必須重新聚焦，才能找到它的新位置。位置的不確定性就是由此產(chǎn)生的，這里面沒有任何神秘的東西。
消除了之前被稱為“波函數(shù)坍縮”的概念，量子理論的多世界解釋甚至也變得多余。因為這個同樣神秘的量子理論，本來就是作為“波函數(shù)坍縮”的替代理論出現(xiàn)的，皮之不存，毛將焉附？同樣，其他幾種替代理論也都是多余的。
當(dāng)然，量子世界除了“波函數(shù)坍縮”，還籠罩著其他很多神秘，譬如疊加態(tài)、量子糾纏等。這項研究能否徹底給量子世界祛魅？我們能否在此基礎(chǔ)上發(fā)展出一套全新的量子理論？這些問題目前還未可知。但至少，量子力學(xué)的最大“心病”已經(jīng)有了結(jié)果。
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