八分鐘看完《上帝擲骰子嗎？》| 量子力學告訴你，這個世界到底有多詭異！

來自專欄一隻水餃跳過去4 人贊了文章

今天我又要和大家講個故事了。

話說阿喀琉斯是希臘的一個大英雄，這傢伙跑得很快。有一天他碰到一隻烏龜，烏龜嘲笑他說：「別人都說你厲害，但我看你如果跟我賽跑，還追不上我。」

阿喀琉斯大笑：「這怎麼可能，我就算跑得再慢，速度也有你的10倍，哪會追不上你？」

烏龜說：「好，那我們假設一下。你離我有100米，你的速度是我的10倍。現在你來追我了，但當你跑到我現在這個位置，也就是跑了100米的時候，我也已經向前跑了10米。當你再追到這個位置的時候，我又向前跑了1米，你再追1米，我又跑了1/10米...總之，你只能無限地接近我，但你永遠也不能追上我。」

阿喀琉斯怎麼聽怎麼有道理，頓時一臉懵逼。

不過也不怪阿喀琉斯，按照烏龜的說法，即便是火箭也追不上它，這就是哲學史上著名的芝諾悖論。那麼問題出在哪裡呢？要想知道答案，你就必須了解20世紀物理學最偉大的發現之一——量子力學。

掐指算來，量子概念的誕生已經超過整整100年，但不可思議的是，它的一些基本思想卻至今不為普通大眾所熟知。究其原因，大概是因為它太過詭異，以致量子論的奠基人之一玻爾都要說：「如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。」

今天要介紹的這本書——《上帝擲骰子嗎》，是一本關於量子論發展的科普史話，豆瓣評分高達9.2，超過14000人參與評價。由於本書對量子力學的發展史已經寫得十分詳盡，這裡我不打算仍按照書中結構再費筆墨，今天我們主要來聊聊量子力學裡面那些令人匪夷所思的現象，以及由此產生的各種光怪陸離的解釋。

不過在此之前，我們先去看看傳說中的量子論是如何誕生的。請大家坐穩扶好，系好安全帶，我們要開車了！

1. 黑體輻射和不連續性

量子論的誕生最初來源於著名的「黑體輻射」問題。科學家們在研究這個問題時發現採用經典物理方法根本解釋不通，他們按照輻射出粒子還是波兩種不同形式推導出了兩個對應的黑體輻射公式，但都無法完全適用，一個適用於短波，在長波範圍失效，另一個則適用於長波，在短波範圍失效。

這就很尷尬了，就像你有兩套衣服，其中一套上衣十分得體，但褲腿太長；另一套的褲子倒是合適了，但上衣卻太小。這時候你可能會說，那麼能不能穿第一套的上衣，然後搭配第二套的褲子呢？

答案是不行，因為這兩個公式推導的出發點是不一樣的，一個是從粒子的角度，另一個是從波的角度，兩者完全不是一回事。

然而不行歸不行，有沒有辦法在這兩個公式的基礎上變化一下再弄出一個新的公式出來，讓它在短波和長波範圍同時適用？一個叫做普朗克的小夥子決定試一下。

你還別說，真就讓他搞出來了，那就是著名的「普朗克黑體公式」（公式有點複雜，略過）。但是有個問題，雖然公式搞出來了，但是背後代表的物理規律是什麼我們完全不清楚啊！為什麼會遵循這樣一個公式？普朗克對此是知其然卻不知其所以然。

為了能夠解釋他的新公式，普朗克決定拋卻他心中的一切傳統成見，於是他提出了如下假設：

在處理熵和幾率的關係時，就必須做一個假定，假設能量在發射和吸收的時候，不是連續不斷的，而是分成一份一份的。

能量不是連續不斷的，但這有什麼了不起呢？你還別說，它真的就很了不起！

自從伽利略和牛頓用數學規則馴服了大自然之後，一切自然的過程就都被當成是連續不斷的。如果你的中學物理老師告訴你，一輛小車沿直線從A點行駛到B點，卻不經過兩點中間的C點，你一定會覺得老師應該「下課」了。

自然的連續性是如此的不容質疑，以致幾乎很少有人會去懷疑這一點。對能量來說，也是這樣。我們總認為能量的釋放是連續的，它總可以在某個時刻達到範圍內的任何可能的值。這種連續性、平滑性的假設是微積分的根本基礎，牛頓、麥克斯韋那龐大的體系便建立在這個地基之上。

但普朗克的方程倔強地要求，能量必須只有有限個可能態，它有一個最小的基本單位，不能是無限連續的。這個基本單位就是「量子」。

正是這個假定，推翻了自牛頓以來200多年，曾經被認為是堅不可摧的經典世界。這個假定以及它所衍生出來的意義，徹底改變了自古以來人們對世界的最根本的認識。

我們現在回過頭來看一下文章開頭提到的那個芝諾悖論，為什麼阿喀琉斯會追不上烏龜？原因就在於在烏龜的說法中默認空間是可以無限分割的，阿喀琉斯在追的過程中每次必須到達烏龜的新一次起點才行。

但現在我們知道了，空間也是不連續的，阿喀琉斯最小的運動單位是「一步」，他根本不會走出烏龜所說的1/100米、1/1000米這樣的尺度，因此超過它是分分鐘的事，芝諾悖論也就game over了。

了解完量子論的起源，接下來我們就要來說說量子領域裡那些詭異的現象了。這裡我需要先給你打個預防針，下面的內容極有可能會讓你的世界觀崩坍！如果你已經做好準備，那就深吸一口氣，開始躍入神奇的量子世界。

2. 不確定性原理

不確定性原理說的是，我們不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度。

在經典力學中，一切都是確定的，完美遵循因果定律，但量子世界不吃這一套！你想知道一個粒子的速度可以，但你無法知道它現在在哪裡，而一旦你想精確知道它的位置，那麼抱歉，速度無可奉告！

而除了位置和速度之外，能量E和時間t同樣遵循不確定性原理。能量變化量ΔE和時間變化量Δt乘積必須大於普朗克常數h。這告訴我們，當時間極短時（Δt趨於0），能量的變化量可以趨近於無窮大，也就是說，在t非常確定的一瞬間，能量可以憑空產生和消失！

看到這裡你可能要說了，不確定性原理是有點奇怪，但完全沒有達到你說的世界觀崩坍的程度啊，糊弄誰呢，我要取關！

等等，你先別急，且聽我繼續往下說。量子力學真正詭異的不是不確定性原理，而是由此導致的一些推論和解釋，首當其衝的就是量子的態疊加與塌縮。

3. 量子態疊加與塌縮

根據我們的日常經驗，客觀物體一定要有一個確定的空間位置，這種存在，是不以人的意志為轉移的。比如說你現在在房間里，或者說你現在不在房間里，兩者必居其一。但是量子世界可不是這樣的，它就說你現在既在房間里，又不在房間里！

什麼鬼？什麼叫既在又不在？難道我精神分裂了不成？雖然不可思議，但量子力學還真有一種分裂的解釋，這點後面我們會說到。

回到這個既在又不在的問題，量子力學告訴我們，在觀察之前，粒子的位置是不確定的，它的位置分布遵循一個波函數，在所有可能出現的位置，它都會出現。當你沒有觀察的時候，它同時出現在所有可能的位置，處於所有位置的疊加態，而一旦你去觀察它，這時候就會導致波函數塌縮，它瞬間就會選擇在一個確定的位置出現。

這樣的論述你可能覺得太抽象，沒關係，我來給你舉個例子你就明白了，還是用我們之前在《極簡宇宙史》中說的那個例子。

假想一個情境，比如有一個電子要去北京，它可以選擇坐飛機、高鐵、自駕甚至走路過去，每種交通方式都有可能。現在，你在北京見到了它，你知道它是從上海過來的，但不知道它具體是怎麼來的。那麼我問你，它是怎麼來的呢？

答案是：它同時坐飛機、高鐵並且自駕還走路過去！這就是量子世界的詭異之處，從起點到終點，所有運動路徑都有可能，並且都會發生！

現在還是那個電子，還是從上海到北京，這回你想搞清楚它是怎麼去的，於是你到高鐵上去找它。結果，你真的發現它了！那麼，這回它是怎麼去的北京呢？沒錯，就是你所看到的，坐高鐵！

飛機、自駕、走路等等方式統統不存在了！因為你觀察了它，它就只有一種路徑！這便是量子波塌縮。也就是說你的觀察使它從一秒鐘的許多分之一之前的所有可能同時位於的位置之中選出了唯一一個。

換句話說，量子波塌不塌縮取決於你有沒有去觀察它。這意味著什麼呢？意味著經典理論中說的我們脫離一個絕對客觀的外部世界而存在的說法不成立了！沒有所謂的客觀世界，因為我們自己也已經融入到這個世界中，我們的觀測行為會對這個客觀世界產生影響。

看到這裡你可能又要說了，即使真的和我說的一樣，觀測本身會對客觀世界產生影響，但你不能直接就推斷說客觀世界就不存在了啊，我們不去觀察的話，客觀世界不還是那個客觀世界嗎？

雖然你的說法有點道理，但我想告訴你的是，如果我們都不能去觀測，那存在的那個客觀世界是沒有意義的。或者更極端一點，如果我們不能去觀測，那麼甚至可以認定它根本就不存在！

為什麼這麼說？著名的卡爾·薩根曾經在《魔鬼出沒的世界》里舉過一個很有意思的例子。

「我的車庫裡有一條噴火的龍！」他這樣聲稱。

「太稀罕了！」他的朋友連忙跑到車庫中，但沒有看見龍。「龍在哪裡？」

「哦，」薩根說，「我忘了說明，這是一條隱身的龍。」

朋友有些狐疑，不過他建議可以撒一些粉末在地上，看看龍的爪印是不是會出現。但是薩根又聲稱，這龍是飄在空中的。

「那既然這條龍在噴火，我們用紅外線檢測儀做一個熱掃描？」

「也不行。」薩根說，「隱形的火也沒有溫度。」

「要麼對這條龍噴漆讓他現形？」

「這條龍是非物質的，滑不溜手，油漆無處可粘。」反正沒有一種物理方法可以檢測到這條龍的存在。

薩根最後問：「這樣一條看不見摸不著，沒有實體的，飄在空中噴著沒有熱度的火的龍，一條任何儀器都無法探測的龍，和『根本沒有龍』之間又有什麼差別呢？」

同樣的道理，你說的那個客觀世界，如果我們都不能去觀察，那它跟不存在又有什麼區別呢？

這就好比牛吃草那個笑話，明明就是一張白紙，你非要說上面畫的是牛吃草，問你草在哪裡，你說被牛吃了，問你牛呢，你說吃完草走了！是不是這個道理？

4. 薛定諤的貓與多宇宙解釋

前面說的量子波塌縮的行為實在很匪夷所思，如果這種行為真的出現在我們宏觀世界，又會是什麼樣的情景？當然，還真有人這樣想過，他就是大名鼎鼎的薛定諤，不過，比他更出名的可能是他的那隻貓。

關於這個實驗，我們在《極簡宇宙史》中也已經進行了詳細的介紹，大家可以再打開那篇文章溫習一下，這裡我就不贅述了。

今天我們要重點解決的是那篇文章留下的一個疑問，沒打開盒子前，貓既死了又活著，如果你打開盒子後發現貓活著，那麼之前那隻死了的貓去哪裡了？

要回答這個問題，我們需要來介紹量子力學的多宇宙理論。這個理論最主要的觀點是，我們每一次觀測其實並沒有導致量子波塌縮，而是造成了一次分裂！

什麼意思呢？就是說當我們打開盒子觀測時，宇宙分裂為兩個完全平行的宇宙了，在其中一個宇宙中，貓是活著的，而另一個宇宙中，貓已經死了。在活貓那個世界裡的你，看到的就只有活貓，在死貓那個世界裡的你，看到的就是死貓。

看到這裡，我估計你又有疑問了，前面剛說觀察會導致量子波塌縮，現在又說沒有塌縮，而是分裂成兩個宇宙了，到底哪一個才是正確的？

雖然我也很想告訴你一個正確答案，但實在是沒辦法，因為科學家們自己也不知道哪一個解釋才是正確的。因為量子現象就是那麼詭異，為了解釋這種詭異的現象，科學家們不斷提出各種可能的解釋，而比起前面提到的量子波塌縮的哥本哈根解釋，多宇宙理論還是相對靠譜的，因此現在也是得到了大多數人的支持。

為什麼說多宇宙更加靠譜呢？如果要詳細和你解釋的話會很複雜，建議你去看原著，這裡我大概幾句話提一下。

首先，按照哥本哈根解釋去推論的話，結果是只有我們人去觀測才會造成量子波塌縮，但是動物去觀測就不會，最終的結論是「意識導致量子波塌縮」！但是意識又是什麼鬼？沒人說得清楚。

這對物理學來說無疑是災難性的，物理學是研究客觀世界運行規律的，最後你竟然告訴我說一切都是由意識決定的，瘋了嗎？所以，哥本哈根解釋這條路基本上已經快走不通了，越研究下去就越玄乎。

那麼多宇宙解釋又能好到哪裡去？每觀測一次就導致宇宙分裂一次，那現在到底有多少個宇宙？如果真有這麼多宇宙，為什麼我們一個也沒看到？

雖然多宇宙看起來也怪異得很，但是卻有一定程度的理論支撐，其中最主要得就是相干性。下面我簡要介紹一下，更多精彩內容還需要你移步原著閱讀。

假設有A、B兩個質點人，他們生活在一維世界裡，其中A生活在x軸，B生活在y軸，因為x軸和y軸互相垂直，因此他們對於對方生活的世界是一無所知的，原因很簡單：x和y互相垂直，x軸在y軸上沒有投影，反之亦然。

對於A來說，他完全無法得知B的世界發生了什麼事情，這時候我們就說兩個世界是正交的、不相干的。但是x軸和y軸垂直正交是非常極端的例子。事實上，如果我們在二維平面里隨便取兩條直線作為「兩個世界」，則他們很有可能並不互相垂直。那樣的話，B世界仍然在A世界上有一個投影，這就給了A以一窺B世界的機會（雖然是扭曲的），這時候A、B世界就是相干的，B和A在一定程度上仍舊能夠「互相」感覺到對方。

在平面上取兩條直線，它們有極大的可能性不相垂直。在三維空間中任意取兩個平面作為兩個「世界」，情況也好不到哪裡去。但是，當維度很高時，我們隨便取兩個切片，其相互垂直的程度就很可能要比二維中的來得大。因為它比二維有著多得多的維數，亦即自由度，彼此在任意一方向上的干涉程度自然大大減小。

懂得了這一點，我們就可以來解釋為什麼你看不到分裂的宇宙了，因為你一觀察，引入了一個極為複雜的態矢量和一個維度數極高的希爾伯特空間，原本較低維度、相干的微觀世界，瞬間就退相干了，你只能在自己所處的那個世界裡看到對應的結果，其他世界裡你無法感覺到！

哈哈哈不管了，反正我能解釋的就這麼多，如果你還是不懂的話就去看原著吧，我已經儘力了。總之，多宇宙解釋告訴我們，量子的疊加態一直都存在，沒有因為你的觀測導致塌縮，而是退相干了，此時你只能看到你的那個世界裡的結果，其他結果在別的世界裡存在，但是你看不到。

5. 量子自殺

前面說到哥本哈根解釋和多宇宙解釋，我們暫時不知道哪種說法是正確的，那麼有沒有辦法設計個實驗驗證一下呢？事實上還真有，但是這個實驗有那麼一點點奇怪...

這個實驗叫量子自殺，是薛定諤貓實驗的一個真人版。假設有一位勇於為科學獻身的仁人義士，他自告奮勇地去代替那隻倒霉的貓，為了讓他少受痛苦，我們把毒氣瓶改為一把槍。如果原子衰變，則槍就「砰」地一聲送我們這位朋友上路，反之，槍就只發出「咔」地一聲空響。

現在關鍵問題來了，根據哥本哈根解釋，你有一半可能聽到「咔」一聲然後安然無恙，另一半可能會聽到「砰」一聲然後什麼都不知道了。而根據多宇宙，必定有一個你聽到「咔」，另一個你在另一個世界裡聽到「砰」。

但問題是，聽到「砰」的那位隨即就死掉了，什麼感覺都沒有了，這個世界對「你」來說已經沒有意義了。對你來說，唯一有意義的世界就是你活著的那個世界。

所以，從人擇原理（建議百度下）的角度上來講，對你唯一有意義的「存在」就是那些你活著的那個世界。你永遠只會聽到「咔」而繼續活著！

如果我們多次重複這個實驗，此時哥本哈根的預言是：就算你運氣非常好，你也最多聽到好幾聲「咔」然後最終死掉。但多宇宙的預言是：永遠都會有一個「你」活著，而他的那個世界對「你」來說是唯一有意義的存在。只要你站在槍口面前，那麼從你本人的角度來看，你永遠只會聽到「咔」的聲音，你永遠不死（雖然在別的數目驚人的世界中，你已經橫屍遍野，但那些世界對你沒有意義！）

但是要你從槍口移開，你就又會聽到「砰」聲了，因為這些世界重新對你恢復了意義，你能夠活著見證它們。總而言之，多宇宙的預言是：只要你站在槍口（對你來說）它就絕對不會發射，一旦你移開，它就又開始隨機地「砰」。

所以，對這位測試者他自己來說，假如他一直聽到「咔」而好端端地活著，他就可以在很大程度上確信，多宇宙的解釋是正確的。假如他死掉了，那麼哥本哈根解釋就是正確的。不過這對他來說已經沒有意義了，人都死掉了。

但很可惜的是：就算你發現了多宇宙解釋是正確的，這也是對你自己一個人而言的知識，因為對於我們這些旁觀而言，你總會在若干次「咔」後被一槍打死，雖然你可能在某個世界裡活得逍遙自在，但是我們這些「外人」被投影到你那個世界的概率極低，而對你來說你存在在那個世界的概率是100%。

餃子曰

看完上面這些內容，不知道你現在處於什麼樣的狀態，反正我已經瀕臨精神分裂了，如果你現在感到頭暈目眩、身體不適，建議去看一場世界盃壓壓驚。

不過我要提醒你的是，即使是世界盃，在C羅射門的那一瞬間，存在著進球和不進球兩種可能，並且都會發生，如果你看到沒進球，那麼在另一個平行宇宙里的你，看到的必然是C羅進球了。

同樣的道理，你思考一下，到底還要不要賭球？

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