作者：Sabine Hossenfelder & Tim Palmer

翻譯：Nothing

審校：Nuor 

量子力學(xué)不是火箭科學(xué)，但它很有可能取代火箭科學(xué)，成為一個(gè)令人無(wú)法理解的數(shù)學(xué)難題。量子力學(xué)出了名的令人難以理解，它違背直覺(jué)又看起來(lái)毫無(wú)意義?？破?qǐng)?bào)道總是將它描述為“奇怪的”、“怪異的”、“令人難以置信的”或以上所有特點(diǎn)。

然而，我們并不這么認(rèn)為，量子力學(xué)是完全可以理解的。只是物理學(xué)家在半個(gè)世紀(jì)前放棄了唯一的理解方法。時(shí)至今日，物理學(xué)的基礎(chǔ)理論幾乎停滯不前。當(dāng)年沒(méi)能解決的重大問(wèn)題今天仍然懸而未決。我們?nèi)匀徊恢腊滴镔|(zhì)是什么，我們?nèi)匀粵](méi)有解決愛(ài)因斯坦引力理論和粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型之間的分歧，我們?nèi)匀徊涣私饬孔恿W(xué)中測(cè)量意味著什么。

我們?cè)鯓硬拍芸朔@些難題？是時(shí)候重新審視一個(gè)早已被遺忘的解決方案：超決定論（Superdeterminism），即宇宙中沒(méi)有哪兩個(gè)部分是真正相互獨(dú)立的。這個(gè)方案讓我們對(duì)量子測(cè)量有了物理上的理解，并有望借此改進(jìn)量子理論。修正量子理論將成為物理學(xué)家們努力解決物理學(xué)中其他問(wèn)題和尋找量子技術(shù)新應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器。

量子力學(xué)無(wú)處不在

到目前為止，物理學(xué)家和哲學(xué)家都認(rèn)為，有缺點(diǎn)的不是量子力學(xué)，而是我們對(duì)它的理解。因此，對(duì)量子力學(xué)的理解可以著重在其數(shù)學(xué)的重新解釋上面，希望問(wèn)題最終能夠取得突破。但突破還沒(méi)有出現(xiàn)，因?yàn)榱孔恿W(xué)的每一種解釋都存在問(wèn)題，他們都不是完全自洽的，只有更好的理論才能解決這些問(wèn)題。量子力學(xué)不可能是自然界運(yùn)行的最基本的規(guī)則，我們要超越它才行。

公平地說(shuō)，抱怨量子力學(xué)的缺點(diǎn)并因此要求完全取代它的其他理論，是對(duì)一個(gè)如此成功和精確的理論的最大侮辱。我們必須強(qiáng)調(diào)的是，無(wú)論量子力學(xué)奇怪與否，它都已經(jīng)存在了超過(guò)100年，它完成了很多了不起的工作并幫助相信它的物理學(xué)家贏(yíng)得了大量獎(jiǎng)金。

沒(méi)有量子力學(xué)，我們就沒(méi)有激光，就沒(méi)有半導(dǎo)體和晶體管，就沒(méi)有計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和觸摸屏。我們不會(huì)有自旋磁共振，電子隧道顯微鏡和原子鐘。我們也不會(huì)擁有基于所有這些技術(shù)的無(wú)數(shù)應(yīng)用程序中的任何一個(gè)。我們沒(méi)有Wi-Fi，沒(méi)有人工智能，沒(méi)有LED，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)基本上也會(huì)不復(fù)存在，因?yàn)楝F(xiàn)在大多數(shù)成像工具和分析方法都依賴(lài)于量子力學(xué)。最后但也很重要的是，量子計(jì)算機(jī)不會(huì)出現(xiàn)。

因此，毫無(wú)疑問(wèn)，量子力學(xué)與社會(huì)息息相關(guān)。同理，毫無(wú)疑問(wèn)，更好地理解它可以獲得更多成果和進(jìn)步。

沒(méi)有人理解量子力學(xué)

那么，為什么連著名的物理學(xué)家都一再聲明量子力學(xué)是無(wú)法理解的呢？

量子力學(xué)的核心概念是波函數(shù)。在量子力學(xué)中，一切都是由波函數(shù)描述的。波函數(shù)是形容基本粒子的，而基本粒子又組成了一切，所以一切事物都是由波函數(shù)來(lái)形容。所以有電子的波函數(shù)，原子的波函數(shù)，貓的波函數(shù)等等。嚴(yán)格地說(shuō)，一切事物都有量子行為，只是在日常生活中大多數(shù)量子行為是觀(guān)測(cè)不到的。

問(wèn)題是，沒(méi)有人知道為什么當(dāng)人們?cè)噲D測(cè)量量子效應(yīng)時(shí)，量子效應(yīng)會(huì)消失。自從物理學(xué)家們提出量子力學(xué)以來(lái)，這個(gè)“測(cè)量問(wèn)題”就一直困擾著他們。部分謎題都已得到了解決，但對(duì)這一部分的理解仍不令人滿(mǎn)意。

隱變量：擲骰子的結(jié)果是無(wú)法預(yù)測(cè)的，因?yàn)樗鼘?duì)細(xì)節(jié)（例如手的動(dòng)作）敏感。由于這部分信息未知，因此對(duì)于實(shí)際目的，擲骰子是隨機(jī)的。這是如何理解量子力學(xué)的方法。如果缺少信息，則可以進(jìn)行量子測(cè)量的結(jié)果。

為了了解這個(gè)問(wèn)題，假設(shè)你有一個(gè)粒子和兩個(gè)探測(cè)器，一個(gè)在左邊，一個(gè)在右邊。如果將粒子向左發(fā)送，則左檢測(cè)器會(huì)發(fā)出滴答聲。如果將粒子向右發(fā)送，則右檢測(cè)器會(huì)發(fā)出咔噠聲。但在量子力學(xué)中，你可以做的不止這些：你可以讓一個(gè)粒子同時(shí)處于兩種狀態(tài)。例如，你可以通過(guò)分束器（beam-splitter ）發(fā)射粒子，這樣之后它就可以既向左運(yùn)動(dòng)又向右運(yùn)動(dòng)。物理學(xué)家說(shuō)粒子是左右“疊加”的。

但是你從來(lái)沒(méi)有觀(guān)測(cè)到過(guò)一個(gè)處于疊加態(tài)的粒子。對(duì)于這樣的疊加態(tài)，波函數(shù)并不會(huì)告訴你一定會(huì)測(cè)量到什么，你只能預(yù)測(cè)你測(cè)量結(jié)果的概率。假設(shè)它預(yù)測(cè)到向左的概率是50%，向右的概率也是50%。這樣的預(yù)測(cè)對(duì)于一組粒子或一系列重復(fù)測(cè)量是有意義的，但對(duì)于單個(gè)粒子卻沒(méi)有意義。探測(cè)器要么發(fā)出咔嗒聲，要么不發(fā)出咔嗒聲。

數(shù)學(xué)上，“發(fā)出咔嚓聲或不發(fā)出咔嚓聲”要求我們?cè)跍y(cè)量瞬間改變它的波函數(shù)，這樣在測(cè)量之后，粒子在確實(shí)測(cè)量到它的探測(cè)器中百分之百地存在。

這種改變（也稱(chēng)為波函數(shù)的“塌縮”）是瞬時(shí)的，它在任何地方都同時(shí)發(fā)生。這似乎與愛(ài)因斯坦的光速是信息傳播速度的極限相沖突。然而，觀(guān)測(cè)者不能利用這一點(diǎn)來(lái)發(fā)送比光還快的信息，因?yàn)橛^(guān)測(cè)者無(wú)法控制測(cè)量結(jié)果是什么。  

 事實(shí)上，測(cè)量更新的同時(shí)性并不是主要問(wèn)題。主要的問(wèn)題是，如果量子力學(xué)像大多數(shù)物理學(xué)家所相信的那樣是一種基本理論，那么測(cè)量更新應(yīng)該是多余的。畢竟，探測(cè)器也是由基本粒子組成的，所以我們應(yīng)該能夠計(jì)算出在測(cè)量中發(fā)生了什么。

不幸的是，我們不僅不知道如何計(jì)算探測(cè)器被粒子擊中時(shí)的行為，除非我們只是假設(shè)測(cè)量會(huì)導(dǎo)致波函數(shù)的突變，更糟的是，我們知道這是不可能發(fā)生的。

我們知道，如果沒(méi)有波函數(shù)的塌縮，就不可能正確地描述量子測(cè)量，因?yàn)闇y(cè)量過(guò)程比不觀(guān)察波函數(shù)時(shí)的行為更復(fù)雜。測(cè)量過(guò)程的主要作用是消除可測(cè)量結(jié)果的疊加性。相反，一個(gè)沒(méi)有被測(cè)量的波函數(shù)才會(huì)處于疊加態(tài)，這根本不是我們觀(guān)察到的結(jié)果。我們從來(lái)沒(méi)有遇到過(guò)同時(shí)發(fā)出咔噠聲和不發(fā)出咔噠聲的探測(cè)器。

這在形式上意味著，雖然量子力學(xué)是線(xiàn)性的（保持疊加），但測(cè)量過(guò)程是“非線(xiàn)性的”，它屬于比量子力學(xué)更復(fù)雜的一類(lèi)理論。這是改進(jìn)量子力學(xué)的一條重要線(xiàn)索，但幾乎完全沒(méi)有人注意到。

相反，有些物理學(xué)家認(rèn)為波函數(shù)并沒(méi)有描述單個(gè)粒子的行為，從而掃除了量子測(cè)量的難題。他們認(rèn)為波函數(shù)描述的不是粒子本身，而是觀(guān)察者對(duì)粒子行為的了解。當(dāng)我們進(jìn)行測(cè)量時(shí)，這些知識(shí)應(yīng)該得到更新。但關(guān)于這些知識(shí)是什么，你不應(yīng)該問(wèn)。

然而，這種解釋并不能消除這樣一個(gè)問(wèn)題：如果量子力學(xué)是基本的，那么我們應(yīng)該能夠計(jì)算出在測(cè)量過(guò)程中發(fā)生了什么。“觀(guān)察者”所得到的“知識(shí)”也應(yīng)適用于宏觀(guān)對(duì)象，其行為至少在原則上應(yīng)該可以從基本粒子的行為中導(dǎo)出。而且，我們知道這是不可能的，因?yàn)闇y(cè)量過(guò)程不是線(xiàn)性的。一個(gè)人不能通過(guò)重新解釋數(shù)學(xué)來(lái)解決矛盾，只能通過(guò)糾正數(shù)學(xué)來(lái)解決。

一種可能的解決方法

解決這個(gè)難題只有兩條路。一是反對(duì)還原論，承認(rèn)宏觀(guān)物體的行為不能從其組成部分的行為中推演出來(lái)，甚至在原則上也不能。

拒絕還原論在哲學(xué)家中很流行，但在科學(xué)家中卻非常不受歡迎，而且理由充分。還原論已經(jīng)取得了顯著的成功，并在經(jīng)驗(yàn)上得到了很好的證實(shí)。更重要的是，從來(lái)沒(méi)有人提出過(guò)一個(gè)一致的、非還原論的自然理論。而放棄還原論而不提出更好的解釋不僅毫無(wú)用處，而且反科學(xué)的。這無(wú)助于我們?nèi)〉眠M(jìn)展。

另一個(gè)合乎邏輯的解決方案是，量子力學(xué)并不是一個(gè)基本理論，它只是對(duì)更深層現(xiàn)實(shí)的一瞥。

如果量子力學(xué)不是一個(gè)基本理論，那么我們不能預(yù)測(cè)量子測(cè)量結(jié)果的原因僅僅是我們?nèi)狈π畔?。因此，量子隨機(jī)性和擲骰子的隨機(jī)性沒(méi)有區(qū)別。

擲骰子的結(jié)果在原則上是可以預(yù)測(cè)的。但它在實(shí)踐中是不可預(yù)測(cè)的，因?yàn)樗鼘?duì)最微小的擾動(dòng)都非常敏感，比如你的手的精確運(yùn)動(dòng)，模具形狀的缺陷，或者它滾動(dòng)表面的粗糙度。由于這是我們沒(méi)有的信息（或者即使我們有，也無(wú)法計(jì)算），擲骰子在所有實(shí)際應(yīng)用中都是隨機(jī)的。我們最好的預(yù)測(cè)是，當(dāng)我們對(duì)未知的、確切的細(xì)節(jié)進(jìn)行平均時(shí)，任何一面出現(xiàn)的概率是1/6。

這是我們理解量子力學(xué)的一種方式。測(cè)量結(jié)果原則上可以預(yù)測(cè)，只是我們?nèi)鄙傩畔?。波函?shù)本身并不是對(duì)單個(gè)粒子的描述，測(cè)量結(jié)果只是一個(gè)平均值。這就解釋了為什么量子力學(xué)只做概率預(yù)測(cè)。雖然潛在的新理論可以再現(xiàn)量子力學(xué)的預(yù)測(cè)，但如果我們有這個(gè)理論，我們也可以分辨出在哪些情況下我們應(yīng)該看到偏離量子力學(xué)的現(xiàn)象。

這個(gè)觀(guān)點(diǎn)得到了這樣一個(gè)事實(shí)的支持，即描述波函數(shù)行為的經(jīng)驗(yàn)性確定性的方程幾乎與物理學(xué)家用來(lái)描述大量粒子而不是單個(gè)粒子行為的方程相同。

歷史上，這種理解量子力學(xué)的方法被稱(chēng)為“隱變量理論（hidden variables theory）”，“隱變量”在這里是所有未知信息的集合，如果我們有了它，量子測(cè)量的結(jié)果將可以被準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

物理學(xué)走在錯(cuò)誤的道路上嗎？

需要強(qiáng)調(diào)的是，帶有隱藏變量的理論不是對(duì)量子力學(xué)的解釋。它們是不同的理論，它們更準(zhǔn)確地描述了自然，而且確實(shí)可以解決測(cè)量問(wèn)題。

不用多說(shuō)，我們并不是第一個(gè)指出量子力學(xué)就像一個(gè)求平均的理論的人。這可能是每個(gè)人在面對(duì)隨機(jī)測(cè)量結(jié)果時(shí)都會(huì)想到的。從量子力學(xué)早期開(kāi)始，物理學(xué)家就開(kāi)始考慮隱變量。但后來(lái)他們錯(cuò)誤地認(rèn)為這一選擇是不可行的，這一錯(cuò)誤在今天依然存在。

物理學(xué)家?guī)资昵胺傅腻e(cuò)誤是從1964年約翰·貝爾證明的數(shù)學(xué)定理中得出錯(cuò)誤的結(jié)論。這個(gè)定理表明，在任何隱含變量允許我們預(yù)測(cè)測(cè)量結(jié)果的理論中，測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性服從一個(gè)界限。從那時(shí)起，無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)界限是可以被打破的。由此可知，貝爾定理所適用的隱變量理論是被證偽的。物理學(xué)家得出的結(jié)論是量子理論是正確的，而隱變量理論不正確。

但是貝爾定理提出了一個(gè)假設(shè)，這個(gè)假設(shè)本身沒(méi)有得到證據(jù)支持：隱變量（不管它們是什么）與檢測(cè)器的設(shè)置無(wú)關(guān)。這種被稱(chēng)為“統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性”的假設(shè)是合理的，只要實(shí)驗(yàn)只涉及像藥片、老鼠或癌細(xì)胞這樣的大型物體。然而，量子粒子是否成立，沒(méi)有人知道。

違反統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性的隱變量理論引出了超決定論。令人震驚的是，他們從未被排除在外。他們甚至從未進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，因?yàn)檫@需要一種不同于物理學(xué)家迄今所做的實(shí)驗(yàn)。為了檢驗(yàn)超決定論，人們必須尋找證據(jù)，證明量子物理并不像我們想象的那樣隨機(jī)。

超決定論的核心思想是，宇宙中的一切都與其他一切有關(guān)，因?yàn)樽匀环▌t禁止某些粒子的構(gòu)型。如果你有一個(gè)空曠的宇宙，把一個(gè)粒子放在其中，那么你就不能任意地把其他粒子放在其中。他們必須先服從某些關(guān)系。

這種普遍的關(guān)聯(lián)性特別意味著，如果你想測(cè)量量子粒子的性質(zhì)，那么這個(gè)粒子永遠(yuǎn)不會(huì)獨(dú)立于測(cè)量設(shè)備。這并不是因?yàn)檠b置和粒子之間發(fā)生了任何相互作用。兩者之間的依賴(lài)性只是一種自然屬性，然而，如果一個(gè)人只關(guān)注宏觀(guān)設(shè)備，這種關(guān)聯(lián)性就不會(huì)被注意到。如果是這樣的話(huà)，量子測(cè)量就有了明確的結(jié)果，因此在解決測(cè)量問(wèn)題的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致違反貝爾定界。

很難解釋為什么物理學(xué)家花了半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間來(lái)研究一個(gè)不一致的理論，卻從來(lái)沒(méi)有認(rèn)真考慮過(guò)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性可能會(huì)失效。如果在量子實(shí)驗(yàn)中違反了統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性，那么對(duì)其具體后果的分析就很少了。如上所述，任何解決測(cè)量問(wèn)題的理論都必須是非線(xiàn)性的，因此很可能會(huì)產(chǎn)生混沌動(dòng)力學(xué)。小的變化產(chǎn)生大的結(jié)果的可能性是混亂的標(biāo)志之一，但是在關(guān)于隱變量的爭(zhēng)論中卻被完全忽略了。

低風(fēng)險(xiǎn)，高回報(bào)

鑒于量子力學(xué)的技術(shù)相關(guān)性，超越它將是一個(gè)重大的科學(xué)突破。但由于歷史遺留問(wèn)題，研究過(guò)或目前研究超決定論的研究人員要么被忽視，要么被嘲笑。因此，這一想法關(guān)注的人仍然很少。

由于缺乏研究，我們至今還沒(méi)有普遍適用的超決定論理論。我們確實(shí)有一些模型為理解違反貝爾不等式提供了基礎(chǔ)，但是沒(méi)有理論能像現(xiàn)有的量子力學(xué)理論那樣靈活。雖然超決定論做出的一些預(yù)測(cè)在很大程度上是與模型無(wú)關(guān)的，因此測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)分布應(yīng)該比量子力學(xué)中的少，但由于這些預(yù)測(cè)不是基于一個(gè)成熟的理論，因此很容易受到批評(píng)。

實(shí)驗(yàn)主義者甚至不想測(cè)試這個(gè)想法。但我們不太可能偶然發(fā)現(xiàn)超決定論的證據(jù)。普遍關(guān)聯(lián)性并沒(méi)有在基本粒子的層次上顯現(xiàn)出來(lái)。因此，我們不認(rèn)為用越來(lái)越大的粒子加速器探測(cè)越來(lái)越小的距離將有助于解決仍然懸而未決的基本問(wèn)題。

今天的大多數(shù)物理學(xué)家被錯(cuò)誤地教導(dǎo)測(cè)量問(wèn)題已經(jīng)解決，或者錯(cuò)誤地認(rèn)為隱藏的變量已經(jīng)被排除，這對(duì)物理學(xué)的進(jìn)步是無(wú)用的。