文盲讀量子力學比屌絲追高圓圓還難，蛋是… | 每周讀一本書改變相貌016《量子力學史話》（下）

如果你跟我一樣，是一枚中年屌絲。那麼，在你30年來的滄桑半生中，一定曾錯過很多女神。那年十月的法桐大道上，她不經意的回眸一笑，常常穿越幾十年的時光，毫無徵兆地出現在你某個午夜夢回。

是啊，你永遠地失去了她，在見她的第一面。

後來，你就習慣性地失去，失去一切，只剩下柴、米、油、鹽和月供。

對，以上描述的正是中年王叔叔的失去心情。上大學的時候，我曾經失去了：《高等數學》、《線性代數》、《複變函數》、《概率論與數理統計》、《大學物理》、《微機原理》、《數字信號處理》……客觀地講，我只認識它們的封面。

好了，今天讓我作為一個文盲，以文科生的思維來把《量子物理史話》讀完。這是一個中年屌絲能對當年女神做的唯一的事——對著她的照片做不可描述的事。

薛定諤的貓

按照波爾理論，在沒有測量之前，一個粒子的狀態是模糊不清的，處於各種可能性的混合疊加。

薛定諤說，那我找一個放射性原子，它何時衰變是完全概率性的，只要沒有觀察，它便處於衰變/不衰變的疊加狀態中。只有確實地測量了，它才會隨機選擇一種狀態出現。

現在我們把這個原子放進一個不透明的箱子，再配一套毒氣裝置，原子一衰變就放毒氣。同時，放一隻貓在這個箱子里。

那麼推論來了：當我們沒有觀察的時候，原子處於衰變/不衰變的疊加態中，所以貓也處於死/活的疊加態中，它是既死又活的。

薛定諤把量子效應放大到了我們的日常世界。

這樣推論的話，不僅是貓，世間萬事萬物都處於一種不確定的疊加態。因為它們都是由服從不確性原理的基本粒子組成的。

這豈不是像王陽明說的：你沒觀測此花時，此花的波函數自然發散歸於平寂。你來觀測此花時，花的波函數發生坍縮，顏色一時確定而明白起來。

但這個實驗有一點令人想不通。貓也有眼睛耳朵鼻子，為什麼貓的觀測不能使那個原子的波函數坍縮，而非要由人來觀測呢？

有人說，是因為人有意識。人能感覺到自己存活與否，而貓不能。那是觀察者的意識決定了世界的走向？

但假如放在箱子里的不是貓，而是一個人，會怎樣呢？

什麼是觀測？什麼是意識？

1932年，20世紀最傑出的數學家馮.諾伊曼出版了《量子力學的數學基礎》，這是量子力學的數學根基。

馮.諾伊曼定義了「觀測」這個詞。他指出，我們用於測量目標的儀器，本身也是由疊加態的粒子所構成的。它們自己也擁有自己的波函數。當我們用儀器去「觀測」時，就把這台儀器本身也捲入到整個模糊的疊加態中去。

如果我們不去「觀測」這台儀器，那它的波函數便陷入一種模糊的疊加態中。如果我們用另一台儀器去「觀測」前一台儀器的測量結果，這後一台儀器也陷入了模糊的疊加態。無論你用多少台你儀器觀測，都是一樣的，這叫「無限復歸」。

直到有人來「觀測」儀器，它才會根據概率，給出一個確定的結果。

為什麼用機器測量就處於疊加態，人來觀測就得到確定結果呢？難道人的意識才是波函數坍縮的原因？只有當電子的隨機選擇被「意識到了」，它才能變為現實？

那什麼是意識？

唯物地講，意識是組成腦的原子群的一種「組合模式」。只要一堆原子按照特定的方式排列起來，它就可以構成我們的意識。

如果是這樣，那麼可以推理出：1、意識可以被複制、傳輸。2、意識不依賴於有機體而存在。

這樣的話，假如有一天，科技發達到可以掃描你身體里的每一個原子的位置和狀態，並在另一個地方把它們重新組合起來，這個新人就是完完全全的你，就是你本人！

當然，你也不用擔心世上多了一個你。因為量子態傳輸會遵循「不可複製原理」。那邊的你複製完，這邊的你會以某種方式「毀滅」的。

自指的宇宙

如果是意識使得一切事物從量子疊加態中脫離，成為現實的話，那在這個宇宙還沒有高等生物的「意識」的時候，它是怎樣的呢？難道它一直在等一個有「意識」的生物來使自己變成現實？而這個高等生物「意識」的參與可以在那一瞬間改變過去，而「過去」還包括了它自身的演化歷史？

1979年，在愛因斯坦100周年誕辰紀念討論會上，約翰.惠勒提出了一個令人吃驚的「延遲實驗」：我們可以在電子穿過雙縫之後再決定是否觀測它。

結果令人十分震驚，在電子作為波穿過雙縫之後，如果我們測量它，它還是會體現出粒子特徵，並且會修改歷史，變為只從一條縫穿過。而如果我們不測量它，它就體現出波的特徵，並且發生干涉。

用玻爾那句永遠顛撲不破的話來理解：「任何一種基本量子現象，只有在其被記錄之後才是一種現象。」在量子世界裡，我們不能改變過去發生的事實，但我們可以延遲決定過去「應當」怎樣發生。因為，直到我們決定怎樣觀測之前，「歷史」實際上還沒有在現實中發生過！

我們的觀測行為本身參與了宇宙的創造過程。這就是所謂的「參與性宇宙」模型。參與性宇宙是增強版的人擇原理。我們選擇了宇宙，宇宙又創造了我們。這件怪事叫作「自指」或「自激活」。意識的存在反過來又創造了它自身的過去！

多宇宙解釋（MWI）

我們無法準確定義一個「觀測者」，一個人與一隻貓或與一台照相機之間有什麼區別。大家都說不清道不明，於是「意識」乘隙而入。而把我們逼到不得不定義什麼是「觀測者」這一步的，則是該死的「坍縮」。

要是能繞開所謂的「坍縮」和「觀測者」，把智能生物的介入從物理學中一腳踢開就好了。讓物理學重新回到經典的、因果律的軌道上來。

埃弗萊特認為，波函數從未坍縮，而只是世界和觀測者本身一起進入了疊加狀態。當電子穿過雙縫後，整個世界包括我們自身，成為兩個獨立的疊加態，在每一個疊加態中，電子以一種可能性出現。

在很長一段時間裡，埃弗萊特的理論被人們解釋為：當電子通過雙縫時，宇宙奇蹟般地「分裂」成了兩個互不相干的平行宇宙。在一個宇宙中，電子通過左縫，另一個則相反。

愛因斯坦強烈反對，他說，我不能相信，僅僅是因為在人群中看了它一眼，宇宙就發生了如此劇烈的改變！

這也代表了很多人的共同看法：用犧牲宇宙的代價來迎合一個電子的隨機選擇，未免太不經濟環保了！

針對人們對MWI普遍存在的誤解，近來一些科學家試圖為其正名。宇宙本身並未在物理上真的「分裂」，而只是一種比喻。

這裡要引入「相空間」的數學概念。我們知道，描述二維空間的一個點，需要（x,y）兩個坐標數字。三維的一個點則需要（x，y，z）三個坐標數字。四維空間的一個點，則需要（x，y，z，t）四個坐標數字……依此類推。

回到物理世界，如何描述一個普通電子呢？在每一個確定的時間t，它應有一個確定的位置坐標（q1，q2，q3）。還有一個動量P，動量是矢量，在三維空間的每一個維度上都有分量，所以也是（P1，P2，P3）。這樣，在時間t時刻，我們用到6個變數來描述一個普通粒子。

這6個變數可以用6維空間里的一個點來概括。而這個我們存心構造出來的6維空間，就是系統的相空間。

假如一個系統有2個粒子構成，那t時刻的變數就有12個，我們可以用12維空間里的一個點來描述它。

假如系統是一隻貓呢？那就不知道有多少億個基本粒子，我們假設為n億。那就需要用6n億維相空間的一個質點來描述它。

之所以我們如此不怕麻煩，不是因為6n億維度很好玩。而是因為在數學上，描述6n億維空間的一個點的運動，也比描述一隻3維空間里的貓來得方便。

當我們把宇宙當作一個超級複雜的波函數時，「真實的，完全的」宇宙態矢量存在於一個非常高維（可能是無限維）的希爾伯特空間中。但這個高維的空間卻是由許許多多的低維「世界」構成的。每個「世界」都只能感受到那個「真實矢量宇宙」的投影。因此，每個「世界」感到的宇宙都是不同的。而所有的可能性，都在投影世界裡發生了。

這裡，我們又彷彿回到了康德的不可知論，不可認知的物自體與我們所能感知的先天認識形式。

但這裡還有一個問題，雖然投影「世界」各不相同，但既然大家都存在，總能有一些相互影響吧。為什麼我們感受不到其它投影「世界」呢？

1970年代後，有一種極其巧妙的解釋回答了這個問題，這就是「退相干理論」。

舉個例子，我們常用到的垂直坐標系X軸、Y軸，因為它們互相垂直，所以X軸在Y軸上沒有投影，Y軸在X軸上也沒有投影。這時我們說X軸、Y軸兩個世界是正交的，不相干的。

在超高維度的疊加態中，比如1億億維空間，在其中隨便畫兩條直線或平面，它們都幾乎是相互垂直的。也就是說，它在低維世界裡的投影是不相干的，互相無法感知的。這就是「退相干理論」。

MWI的最大好處，是把「觀測者」這個看似極不靠譜的主觀量從物理中一腳踢開了。波函數不再受「坍縮」之困，物理又回到經典的決定論。

只要有了整個宇宙的波函數，你可以往前推算，也可以往後推算。宇宙從一開始，一切都已註定。所謂時間的「流逝」，不過是一種錯覺而已。

貝爾不等式——回到經典還是毀滅經典？

只要有一絲可能，我們都期望這個世界是確定無疑的、經典的、因果律的、決定論的。這也是愛因斯坦畢生的夢想。

早在1935年，愛因斯坦與波爾論戰時，曾提到一個思想實驗——EPR佯謬。

即一個母粒子分裂成相反方向飛開去的兩個小粒子A和B，它們在理論上具有相反的自旋。但在沒有觀測之前，照量子派的講法，它們的自旋處在不確定的疊加態中。當我們觀測粒子A，它的波函數才會在一瞬間坍縮，隨機選擇一種自旋方向，比如是「左」旋。根據守恆原理，粒子B必定是「右」旋。

如果我們把粒子A和粒子B分開得足夠遠，比如宇宙的兩端。那粒子A隨機選擇了「左」，粒子B在宇宙另一端會瞬時選擇「右」。這信息傳播速度顯然超越了光速，違背了相對論。愛因斯坦認為，粒子A和粒子B的自旋方向，是一開始就決定了的。

本來是一個思想實驗，根本也無法證偽。但貝爾同學站在相對論的立場上推導出一個貝爾不等式|Pxz-Pzy| ≤1+Pxy

假如我們禁止宇宙中有光速的信號傳播，那麼理論上當我們同時觀察兩個粒子的時候，它們無法交換任何信息。它們能給出的最在協作程度僅僅限於經典世界所給出的極限。這個極限就體現為貝爾不等式。

1982年，貝爾不等式第一次被實驗證明不成立。

1990年，第二次。

2001年，第三次。

……

愛因斯坦輸了，量子學派贏了。用網紅物理學家霍金的話說，上帝不僅擲色子，還把色子擲到我們看不見的地方（黑洞）。

這個世界不可能如愛因斯坦所夢想的那樣，既是定域的（沒有超越光速的信號傳播），又是實在的（存在一個客觀確定的世界，可以為隱變數所描述）。

退相干歷史

既然量子論已經勝了，那麼剩下的事，就是好好完善量子論。所以群雄並起，各大門派雲起於江湖。

在MWI中，我們已經接觸過「退相干」理念。只不過那時退相干的是「世界」。宇宙的演變「歷史」只有一個，投影在了不同的「世界」里。

而1984年，「退相干歷史」（簡稱DH）登台，它與「退相干世界」正相反。它認為，「世界」只有一個，而「歷史」有很多個。

「歷史」是精細的，包含無限發展過程與細節的。

「我們觀測到粒子在左」或「我們觀測到粒子在右」都是粗略的歷史。因為我們只關心電子會出現在哪裡，而忽略了其它的一切。比如：我們站在實驗室的哪個角落，今天吃了什麼，空氣中有多少粒灰塵落在我們身上，窗戶里射進了多少光子與我們發生了相互作用……

從理論上講，每一種不同的情況都會對應一種特定的歷史。比如，「吃了拉麵的我觀測到電子在左」和「吃了漢堡的我觀測到電子在左」其實是兩處不同的歷史。「觀測到電子在左並同時被1億個光子打中」和「觀測到光子在左並同時被1億零1個光子打中」也是兩種不同的歷史。

當我們在計算「我們觀測到電子在左」和「我們觀測到電子在右」兩個歷史之間的干涉影響時，實際上是對所有的歷史遍歷求和。最後發現，其它歷史都從結果中抵消了。「我們觀測到電子在左」和「我們觀測到電子在右」兩個粗略歷史退相干了。它們之間沒有聯繫，我們只能感覺到其中的一種。

如果DH解釋是正確的，那我們每時每刻都在經歷多重歷史。世界上的每一個粒子，都處在所有可能性的疊加之中。但一旦涉及客觀物體，我們所能觀察和描述的，只是粗略的歷史。當細節被抹去，這些粗略歷史便互相退相干，永遠地失去了聯繫。

超弦理論

超弦理念本來是用來處理基本粒子的強作用力的，但研究後發現，它有可能用來描述引力。而引力，屬於經典物理，屬於愛因斯坦和相對論的領地。

於是，超弦理論被物理學家熱捧，期望它能收復經典，一統天下。

根據超弦理論，任何粒子其實都不是傳統意義上的點，而是開放或閉合的弦。當它們以不同的方式振動時，就分別對應於自然界中的粒子（電子、光子、引力子…）。我們生活在一個十維的空間里，但有六個維度是緊緊蜷縮起來的。原本被我們當作時空中一個「點」的東西，其實是一個六維的小球。這六個蜷縮的維度不停地擾動，造成了全部的量子不確定性。

超弦理論有很多種，很多都能自圓其說。但經過大量運算篩除後，有5種被保留下來。到底哪一種才正確，大家爭了很多年。

直到1995年，愛德華.威頓證明了5種不同耦合常數的弦論在本質上其實是相同的。就像盲人摸象，你摸到象腿，他摸到鼻子，我摸到尾巴……其實大家摸的是同一頭大象。這5種超弦被統一為「M理論」。

結束

量子理論誕生近一個世紀，這世界上最聰明的幾代人前赴後繼，仍然沒有找到它最終的大門。

經典年代裡，牛頓一人完成力學定律，愛因斯坦一人單挑相對論，麥克斯韋一人托起電磁學。這樣奇蹟般的、因果律的、決定性的、真實客觀的美好世界一去不復返。

超弦理論以來，量子論的結構體系被正式推出，欲與廣義相對論相抗衡。而在此之前，人們是站在經典的大框架上，在細節上作量子論的修正。

我們期待量子論和相對論大一統的那一天。

我們仍然期待，這個世界能夠被認知的。

（完）

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