有關(guān)量子力學(xué)真正讓我們煩惱的是，理論中竟然出現(xiàn)了「觀測(cè)者」這個(gè)詞語。

誰才是「觀測(cè)者」？是狐貍？相機(jī)？還是你？source：Michail Kirkov

到底什么才算是個(gè)「觀測(cè)者」，或者什么才算是「觀測(cè)」呢？顯微鏡算不算？還有使用顯微鏡的有意識(shí)的人類算不算呢？松鼠呢？還有攝影機(jī)呢？倘若我并沒有仔細(xì)觀測(cè)，而只是瞥它一眼呢？到底是什么時(shí)候才會(huì)發(fā)生「波函數(shù)塌縮」呢？

這里說明一下以免你日夜懸念：現(xiàn)代物理學(xué)家?guī)缀鯖]有人認(rèn)為「意識(shí)」和量子力學(xué)有絲毫關(guān)連。的確有少數(shù)人破除舊習(xí)而相信這點(diǎn)，不過那些人少之又少，并不代表主流思潮。

這些議題統(tǒng)稱為量子力學(xué)的「測(cè)量問題」（measurement problem）。物理學(xué)家為它苦思了數(shù)十年，如今依然沒有共識(shí)。不知道該如何解決。

量子力學(xué)并不描述任何基底的「東西」：我們向來可容許談?wù)摰?，完全就只是?shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果，圖／by pixabay。

不過，他們有一些構(gòu)想。有種門路主張，即便波函數(shù)在預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果方面確實(shí)扮演要角，卻沒有真正展現(xiàn)出物理實(shí)相。說不定除了波函數(shù)之外，另有更深邃的方法可以來描述世界，而依循那種方式呈現(xiàn)的世界演化，原則上是完全可預(yù)測(cè)的。這種可能性有時(shí)也稱為「隱變數(shù)」（hidden variables）途徑，因?yàn)樗凳疚覀兏具€沒有標(biāo)定出最能妥善描述量子系統(tǒng)狀態(tài)的真正做法。倘若該理論成立，那么它必然是非局部性的——系統(tǒng)各部分都必須與空間其他部分直接互動(dòng)。

此外，還有個(gè)更基進(jìn)的途徑，那就是干脆完全否認(rèn)存有基底現(xiàn)實(shí)。這是量子力學(xué)的一種反實(shí)在論派途徑，因?yàn)樗J(rèn)為理論不過就是種有系統(tǒng)的紀(jì)錄裝置，用來預(yù)測(cè)未來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。若你請(qǐng)教反實(shí)在論者那門知識(shí)是關(guān)于當(dāng)前宇宙的哪個(gè)層面，他們會(huì)告訴你問這種問題并不明智。依循這種觀點(diǎn)，量子力學(xué)并不描述任何基底的「東西」：我們向來可容許談?wù)摰模耆椭皇菍?shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果。

采行反實(shí)在論是相當(dāng)戲劇性的一步。不過看來這門學(xué)說也曾獲得量子力學(xué)奠基人、泰斗權(quán)威尼爾斯．玻耳（Niels Bohr）的提倡擁護(hù)。他的觀點(diǎn)經(jīng)描述為「沒有所謂的量子世界，只有個(gè)抽象的物理描述。我們不該認(rèn)為，物理學(xué)的使命是找出自然的現(xiàn)狀。物理學(xué)乃是關(guān)于我們能夠如何講述自然。」

有關(guān)反實(shí)在論的最大問題或許在于，我們很難看出，一個(gè)人抱持這樣的立場(chǎng)，如何能完美地一以貫之。就一方面我們可以說，我們對(duì)自然的認(rèn)識(shí)并不完備；不過若有人說沒有所謂的自然這種東西，那就完全另當(dāng)別論了。就一方面，講那種話的人是誰？就連玻耳也（上述引文里面）談到，「關(guān)于自然」我們能夠講述的事項(xiàng)。照這樣看來，那似乎便隱指有某種號(hào)稱「自然」的東西，而且我們也可以就此講述一些事情。

量子本體論——波函數(shù)

所幸我們還沒有耗盡我們的可能性。最簡(jiǎn)單的可能性是，量子波函數(shù)完全不是種有系統(tǒng)的紀(jì)錄裝置，也不是許多種量子變數(shù)之一；波函數(shù)完全就是把現(xiàn)實(shí)直接呈現(xiàn)出來。誠如牛頓或拉普拉斯的理念，世界在他們眼中可以是粒子的一組位置和速度?，F(xiàn)代量子理論學(xué)家則把世界想成一種波函數(shù)，沒有其他。

這種穩(wěn)健品牌的簡(jiǎn)明量子國度，可能會(huì)遇上一個(gè)難題，那就是測(cè)量問題。倘若一切事物就只是波函數(shù)，那么釀成波函數(shù)「塌縮」的因素為何，還有為什么觀測(cè)動(dòng)作那么重要？

艾弗雷特三世。圖片來源：wikipedia

1950 年代，一位名叫休．艾弗雷特三世（Hugh Everett III）的年輕物理學(xué)家提出了一項(xiàng)解答。他主張只有一種量子本體論「波函數(shù)」而且它從頭到尾也只有一種演化方式，即依循薛丁格方程式。沒有塌縮，而且系統(tǒng)和觀察者之間也沒有根本區(qū)分，觀測(cè)完全不扮演什么特殊角色。艾弗雷特宣稱，量子力學(xué)很安穩(wěn)地與決定論形式的拉普拉斯派世界觀完全契合。

不過，倘若真是如此，為什么在我們看來，當(dāng)我們觀察波函數(shù)時(shí)它們就會(huì)塌縮？以現(xiàn)代語言來講，這個(gè)戲法可以追溯至量子力學(xué)一種稱為「纏結(jié)」的特征。

依古典力學(xué)，我們可以設(shè)想世界的所有不同片段各具自己的狀態(tài)。地球繞著太陽運(yùn)行，它有特定的位置和速度，火星也自有本身的位置和速度。但量子力學(xué)陳述的是另一種故事。沒有一個(gè)波函數(shù)專屬于地球，也沒有一個(gè)專屬于火星。相同道理，整個(gè)太空也都沒有這種現(xiàn)象。整個(gè)宇宙同時(shí)就只有一個(gè)波函數(shù)—這就是我們不帶絲毫謙遜所宣稱的「宇宙波函數(shù)」。

波函數(shù)不過就是我們指定給每個(gè)可能測(cè)量結(jié)果的數(shù)值，就像粒子的位置。于是那個(gè)數(shù)字能告訴我們，得出那項(xiàng)結(jié)果的機(jī)率。機(jī)率是以波函數(shù)平方來求得的：這就是著名的玻恩定則（Born rule），名稱得自德國物理學(xué)家玻恩。所以宇宙波函數(shù)為宇宙間各個(gè)物體如何遍布空間的所有可能方式各指定一個(gè)數(shù)字。波函數(shù)為「地球在這里、火星在那里」指定一個(gè)數(shù)字，也為「地球位在這另一個(gè)地方，火星則位于其他某處」指定一個(gè)數(shù)字，并依此類推。

圖／by PIRO4D @pixabay。

因此地球的狀態(tài)可以和火星的狀態(tài)纏結(jié)。就行星這類的大型宏觀事物而言，這種可能性并不能落實(shí)為某種可論證的方式。不過，就基本粒子一類的微小事物而言，這種現(xiàn)象就隨時(shí)可見。假定我們有兩顆粒子——愛麗絲和鮑伯，它們各自能以順時(shí)鐘或逆時(shí)鐘方向自旋。宇宙波函數(shù)可以指定百分之五十的機(jī)率給愛麗絲采順時(shí)鐘自旋且鮑伯采逆時(shí)鐘自旋，另外百分之五十的機(jī)率則指定給愛麗絲采逆時(shí)鐘自旋且鮑伯采順時(shí)鐘自旋。我們完全不知道當(dāng)我們測(cè)量這其中一顆粒子的自旋時(shí)，結(jié)果會(huì)得出哪個(gè)答案：不過我們知道，一旦我們測(cè)量當(dāng)中一顆，另一顆絕對(duì)會(huì)采另一個(gè)方向自旋；它們彼此纏結(jié)。

艾弗雷特說明，我們應(yīng)該根據(jù)表面意義來看待量子力學(xué)的形式主義。不只你打算觀測(cè)的系統(tǒng)是以一個(gè)波函數(shù)來描述，連你自己都是以一個(gè)波函數(shù)來描述。這就表示你有可能處于一種疊加態(tài)。艾弗雷特指出，當(dāng)你測(cè)量一顆粒子，想了解它是采順時(shí)鐘或是逆時(shí)鐘方向自旋，波函數(shù)并不會(huì)塌縮成某一可能性。它會(huì)平滑演化成一種纏結(jié)疊加態(tài)，其中部分是「粒子順時(shí)鐘自旋」且「你見到粒子順時(shí)鐘自旋」，還有另一部分則是「粒子逆時(shí)鐘自旋」且「你見到粒子逆時(shí)鐘自旋」。疊加態(tài)的兩個(gè)部分實(shí)際上都存在，而且它們會(huì)服從薛丁格方程式的要求，繼續(xù)存在并不斷演化。

接著，我們就有個(gè)候選的最終答案，可用來解答那個(gè)至關(guān)緊要的本體論問題：「世界到底是什么？」世界是個(gè)量子波函數(shù)。起碼在更好的理論出現(xiàn)之前是這樣。

氫原子在不同能量下，電子的波函數(shù)。source：wikimedia

艾弗雷特的量子力學(xué)

艾弗雷特的量子力學(xué)陽春途徑——唯有波函數(shù)和平滑演化，沒有新的變數(shù)或不可預(yù)測(cè)的塌縮，也沒有對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)的否認(rèn)——如今被冠上了「多世界詮釋」（ Many-Worlds Interpretation）的稱號(hào)。宇宙波函數(shù)的兩個(gè)部分，一個(gè)你會(huì)見到粒子順時(shí)鐘自旋，另一個(gè)你會(huì)見到它逆時(shí)鐘自旋，這兩種演化到最后會(huì)完全相互獨(dú)立。往后雙方不再有溝通或干涉現(xiàn)象。這是由于你和那顆粒子，在稱為「退相干」（decoherence）的歷程當(dāng)中，與宇宙的其余部分纏結(jié)所致。波函數(shù)的不同部分是不同的「分支」，所以我們可以方便地說，它們描述了幾個(gè)不同的世界（從宇宙波函數(shù)所描述的「自然世界」來看，這依然是「一個(gè)世界」，不過波函數(shù)有許多不同分支，而且各分支獨(dú)立演化，所以我們稱它們是「幾個(gè)世界」－我們的語言還沒趕上我們的物理學(xué)）。

艾弗雷特／多世界量子力學(xué)途徑，有許多值得珍愛之處。就本體論來講，它很精實(shí)能干：只有量子態(tài)和唯一的演化方程式。它是完全決定論的，即便是個(gè)別觀測(cè)者，他們?cè)趯?shí)際檢視世界之前，也不能區(qū)辨出他們究竟身處哪種世界，所以涉及有人進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，必然含有某種機(jī)率成分。同時(shí)，它在解釋測(cè)量歷程等事項(xiàng)時(shí)都不會(huì)遇上困難，而且也不需動(dòng)用任何有意識(shí)的觀測(cè)者來執(zhí)行這種測(cè)量。所有事物都只是種波函數(shù)，所有波函數(shù)都依循相同的方式來演化。

當(dāng)然了，宇宙的數(shù)量多得數(shù)不清。

以艾弗雷特的理論解釋薛丁格的貓，在開盒的瞬間，不同狀態(tài)的貓便分散到平行世界去了，如果我們看到貓是死的，那么在另一個(gè)平行世界，這只貓卻是活的。圖片來源：Christian Schirm@wikipedia

許多人反對(duì)多世界詮釋，因?yàn)樗麄兙褪遣幌矚g外界有那許許多多宇宙的構(gòu)想。特別是不可觀測(cè)的宇宙——理論預(yù)測(cè)有那些宇宙，然而我們永遠(yuǎn)不會(huì)有實(shí)際做法來看見它們。這并不是非常深思熟慮的反對(duì)意見；倘若我們的最好理論預(yù)測(cè)某件事是真的，那么在更好的理論出現(xiàn)之前，我們就該為它實(shí)際為真的情況，賦予較高的貝氏信任度。倘若你對(duì)多重宇宙有某種內(nèi)在的或先驗(yàn)的負(fù)面感受，那么你當(dāng)然可以想盡辦法研擬出更好的量子力學(xué)表述。不過負(fù)面感受并不是種有原則的立場(chǎng)。

有個(gè)秘訣可以讓你和多世界詮釋和平共處，那就是領(lǐng)會(huì)那途徑并不是從量子力學(xué)的形式主義入手，然后再添入一個(gè)大得荒謬的多重宇宙。就形式主義看來，所有宇宙早都在那里了，起碼有那個(gè)可能。依循量子力學(xué)描述，各個(gè)物體都是處于不同測(cè)量結(jié)果的疊加態(tài)。宇宙波函數(shù)自動(dòng)把整個(gè)宇宙就是處于這種疊加態(tài)的可能性包括在內(nèi)，接著我們選擇以「多重世界」來談?wù)撨@種疊加。所有其他版本的量子力學(xué)，則必須設(shè)法「去除額外的世界」——做法是改變動(dòng)力學(xué)原理，或者增添新的物理變數(shù)，或者否認(rèn)現(xiàn)實(shí)本身的存在。然而這在解釋力或預(yù)測(cè)力上都沒有長(zhǎng)進(jìn)，還非必要地讓一種簡(jiǎn)單的架構(gòu)變得復(fù)雜——起碼在艾弗雷特眼中是如此。

有個(gè)秘訣可以讓你和多世界詮釋和平共處，那就是領(lǐng)會(huì)那途徑并不是從量子力學(xué)的形式主義入手，然后再添入一個(gè)大得荒謬的多重宇宙，圖／by TheDigitalArtist@pixabay。

這可不是說，我們就沒有非常好的理由來關(guān)注艾弗雷特派量子力學(xué)。根據(jù)艾弗雷特所述，波函數(shù)分支出不同的平行世界，并不是種客觀的特征；它只是談?wù)摶赚F(xiàn)實(shí)的一種方便說法。不過，究竟是什么因素決定了區(qū)劃不同宇宙的最佳方式？為什么我們會(huì)看到與古典力學(xué)規(guī)則十分近似的現(xiàn)實(shí)萌現(xiàn)？這些問題都完全值得重視——不過在堅(jiān)定支持多世界詮釋的人士看來，這些問題也是充分可以回答的。

從整體全貌角度來看，這段討論有兩點(diǎn)必須記得的重要事項(xiàng)，一項(xiàng)是即便我們對(duì)量子力學(xué)并沒有最完備的認(rèn)識(shí)，然而我們所知的部分當(dāng)中，完全沒有哪種事項(xiàng)必然傾覆決定論（未來只會(huì)從出于現(xiàn)在）、實(shí)在論（存有客觀真實(shí)世界）或物理主義（世界純具物理性）。這些牛頓派／拉普拉斯派規(guī)律運(yùn)作宇宙的諸般特征，在量子力學(xué)中依然很容易就能全都成立——不過我們并不完全確定。

另一項(xiàng)必須記住的重點(diǎn)是，量子力學(xué)所有詮釋的共同特征：我們觀看世界時(shí)眼中所見，和我們不觀看世界時(shí)對(duì)于世界的描述方式是相當(dāng)不同的。隨著人類的知識(shí)在過去幾世紀(jì)以來已經(jīng)有所進(jìn)展，我們偶爾也會(huì)被迫大幅重新組構(gòu)我們的信念行星，好納入對(duì)實(shí)體宇宙的嶄新格局，而量子力學(xué)肯定有資格成為那幅格局。就某種意義來講，這就是終極統(tǒng)一的成果：現(xiàn)實(shí)的最深層級(jí)并不包含「海洋」和「山脈」一類的事物，不過還不只于此，它甚至也不包含「電子」和「光子」一類的事物；它只有量子波函數(shù)。其他一切都是方便談?wù)摰恼f法。