解构薛定谔的猫

哥本哈根耸耸肩，说：“就是这么回事。”当我们试图理解量子力学时，最大的问题总是：我们能做得更好吗？

大多数物理教科书讲授哥本哈根诠释是因为玻尔是个非常重要的人物，几十年来，他的解释是唯一的解释。但如今，哥本哈根诠释并不是最好的。

很明显，我们迟早要放弃经典物理的想法，任何对量子力学的解释都会涉及一些非常怪异的东西，但在哥本哈根的圣徒日之后，一种大杂烩式的替代方法诞生了。

很难确定这样一本书应该包含哪种量子诠释，事实上，所有这些诠释可以填满一座图书馆。但我决定跟着感觉走，讨论三个由科幻爱好者发明的量子视角，以拓展早期物理学巨人的工作。

忘掉我之前说的话

1927年，路易·德布罗意在布鲁塞尔的第五次索尔维会议上发表了演讲。索尔维会议是比利时实业家欧内斯特·索尔维组织的物理学聚会。索尔维在19世纪60年代发明了一种制造碳酸钠（生产玻璃的关键原料）的工业方法，赚了数百万美元。

索尔维把他的聚会想象成了科学家的夏令营。他把全世界最聪明的人聚集在一栋大楼里，让他们花一整月讨论宏大问题。聚会中有讲座，还会组织辩论，如果仍然无法达成一致，就给他们分发尖木棒。

1911年的第一次索尔维会议主题是普朗克和爱因斯坦的量子论；第二次索尔维会议（1913年）的主题是“物质的结构”；第三次索尔维会议（1921年）的主题是“原子与电子”；第四次索尔维会议（1924年）的主题是“电”；第五次索尔维会议讨论的是哥本哈根诠释，以及这一诠释是否应该永远占据统治地位。参与这一次传奇事件的有薛定谔、海森堡、索末菲、德布罗意、玻尔、玻恩、普朗克、居里夫人、爱因斯坦等。

在一张标志性的照片上，所有出席会议的科学家都坐在露天看台上，这是迄今为止最奇怪的年鉴照片。居里夫人是唯一的女性。薛定谔是唯一戴领结的人。化学家彼得·德拜是唯一留着卓别林式小胡子的人，这种胡子在接下来的十年里不再流行（原因显而易见）。

在这次会议上，语调温和、态度友善的路易·德布罗意提出了他认为可行的替代哥本哈根诠释的方案。他认为引入波粒二象性是一个错误，电子和光子仅仅只是粒子。它们没有波的特性，而是被一些有波动性的背景物质包围着。无形的“导波”把这些粒子推来推去，因此使它们看上去像在沿着类似于波的轨迹运动。

据说，当德布罗意概述自己的想法时，性急的沃尔夫冈·泡利就大声地质问起来。泡利在这方面有个很坏的名声，如果他觉得演讲不合格，就会打断演讲者。泡利是一位杰出的物理学家（他发展了纠缠理论，我们在前两章解释了），但他也非常令人生畏，而德布罗意则基本上是个好好先生。

德布罗意不卑不亢地接受了泡利的打断，承认自己的假设有缺陷，但讲座结束后，人们更关心泡利的质疑，而不是德布罗意的回答。导波的想法也随之被搁浅。

直到1952年，核物理学家戴维·玻姆把这个想法打捞起来。玻姆小时候通过科幻杂志发现了自己对科学的热爱[1]，并在“二战”期间参与了曼哈顿计划。

成年以后，玻姆大部分时间是哥本哈根诠释的支持者，但在爱因斯坦的诱劝下，他开始觉得哥本哈根诠释需要太多的神迹，因此转向了德布罗意的导波理论。

导波理论甚至似乎有一些很好的实验证据。如果像托马斯·杨那样向一个双缝发送水波，显然也能得到干涉条纹。如果你把小物体（如油滴）放在水波表面，它就会像风暴中的船只一样乘风破浪，最终走到远端的斑马条纹上。油滴仍然是粒子，但它的目的地是由导波决定的。

玻姆面临的挑战是，这个系统意味着电子每次都应该遵循相同的路径，但在真正的量子实验中，电子似乎随机地出现在任意一条斑马条纹上。为了解决这个问题，玻姆提出，当电子从发射器中激发出去时，它的内部有隐藏的变量—我们无法探测到这种微小的能量变化，但这导致了双缝中的不同路径。

在数学上，玻姆的量子观点增加了额外的复杂性，因为你必须讨论这些导波的值（量子势），这要求在薛定谔方程的基础上建立更多的方程。但在新增项中，玻姆的观点确实回答了为什么探测决定粒子的属性—位置和自旋等属性取决于导波，而非粒子本身。这就是为什么粒子有时候看起来没有属性。它们确实没有，这些属性来自导波。

玻姆，亲爱的玻姆

根据德布罗意-玻姆的观点，量子行为并不是随机的，因为在理论上，我们可以用经典物理来解释双缝实验。2010年，伊夫·库德做了个实验，声称能准确地证明这一点。

库德在水箱里做双缝实验，他把小油滴滴在水面上，看它们会如何运动。油滴代表粒子，水中的涟漪代表导波。

库德报告说，油滴沿着水波的轨迹，在另一端成簇地聚集，就像光子和电子一样。[2]有没有可能粒子是有位置的，它们只是像经典物体一样骑在导波上？

这是个令人兴奋的结论，似乎最终推翻了哥本哈根诠释。但它太妙了，令人难以置信。尼尔斯·玻尔的孙子托马斯·玻尔以及物理学家约翰·布什进一步做了研究，却没有得到相同的结果，[3]他们得出的结论是，库德在实验中有几处无心之过。

如果你尝试用真实粒子在真实波上重现双缝实验，只会得到经典的结果，而得不到斑马条纹，除非导波是一种非经典形式的特殊波，否则我们无法用玻姆力学来解释双缝实验。当然，不排除这种答案，但我们所能做的就是把异样的目光从粒子身上移开，转投到我们永远观察不到的导波身上。

握手

接下来我们要讲“交易诠释”。交易诠释把哥本哈根诠释当成抹布，并强调常识；它非常酷，因此值得一看。

这一次，原始想法来自理查德·费曼，他指出，在量子层面上，物理学的前进和后退是等效的。向左移动的粒子也就是反向向右的粒子，这两个过程是相同的。粒子对于时间的流向没有偏好。激发光子的电子可以看成是反向吸收光子的电子。这两者是等效的。

50年后，物理学教授兼科幻作家约翰·克拉默决定采纳费曼的说法，并更进一步。我想，也可以说是更退一步。

粒子的行为可以被描述成波函数，但记住，它必须取平方才能得到答案。克拉默想知道，我们之所以需要两个完全相同的波函数，是不是因为真的存在两个波函数？但我们只看到了一个，是不是因为它的伙伴在时间上是后退的？

假设我们的粒子到达一个双缝，它的正常波函数（遗憾的是，在学术中它叫“推迟波”）在时间上是前进的，我们可以确定它的路径。但与此同时，探测屏中的粒子正在从未来向我们的粒子发射后退的波函数（“超前波”）。无论未来的哪个粒子恰好发出最强的溯时信号，我们的粒子都会与之相互作用。

克拉默把它想象成商业交易。粒子发出要约，探测器完成确认，接近狭缝的粒子和探测器中的粒子使波函数同步—他称之为“量子握手”，这将导致过去、现在与未来之间的纠缠。

延迟选择量子擦除实验，也就是爱丽丝知道鲍勃将在未来做什么的古怪实验，现在突然变得容易解释了。粒子可以判断它在未来是否会被探测到，因为它收到了来自未来的信息，未来的信息告诉它怎么做。

有趣的是，克拉默说，他并不认为交易诠释摆脱了人类的自由意志。[4]他用超市里买东西的信用卡作类比。信用卡发出要约，银行完成确认，但你自己决定要买什么。

然而，你可以做一番对比。你认为是自己选择买杏仁奶，但实际上你收到了来自未来的信号，那个信号告诉你应该买什么。也许那些你认为是自己做出的决定，都是未来事件的结果，它将引导你在当前的生活中做出选择。你之所以购买本书，是出于自己的选择，还是受到了本章的影响？哇呜（恐怖的叫声）！

我将永远爱休

就在戴维·玻姆发表导波理论的同一年，埃尔温·薛定谔在都柏林做了一次演讲，主题是他为什么仍然不接受哥本哈根诠释。薛定谔解释说，尽管听起来很疯狂，但他的方程从来没有打算描述粒子在测量时才选择某种属性的情况。[5]

在叠加态中，同一个粒子拥有两套属性，这是已知的。但为什么要认为在测量时必须抛弃其中一种属性呢？薛定谔方程并没有提到这一点。事实上，如果我们从字面上理解薛定谔方程（这似乎总是有效的），它会告诉我们，在测量之后，两种结果仍然存在，即使出于某种原因我们看不到其中一种也一样。

薛定谔方程非常顺利地描述了事物逐渐演化的过程，但当粒子与探测器相互作用的时候，玻尔坚持我们应该突然转变物理学，开始使用粗糙的粒子方程。为什么要这样呢？

如果我们相信薛定谔方程，那它并没有说这种话。所有的结果都会发生，没有所谓的波函数“坍缩”。当我们测量到一个粒子上旋时，它的下旋态仍然存在，我们只需要找到它的藏身之处。休·埃弗莱特三世出场了。

埃弗莱特是一位烟瘾很大的科幻小说迷，拥有化学学士学位和数学硕士学位，他决定第三个学位要获得物理学博士学位。在约翰·阿奇博尔德·惠勒的监督下，埃弗莱特试图提出一个不涉及概率的量子力学新版本。

哥本哈根学派的每一个人都迷恋随机性，但惠勒想要给予反击，他把挑战交给了他最聪明的学生，而且结果没有让他失望。埃弗莱特给出的答案不仅消除了随机性，还解决了测量的问题。

我们在实验中测量一个粒子，它所有可能的结果都实现了。我们观察到的那个结果被记在实验里，但其他可能的结果仍然存在。它们存在于不同的世界。

埃弗莱特认为，量子力学的主要难题是叠加态，所以他消除了这个想法，把叠加的属性转换成叠加的现实。当我们提供给粒子一种选择时，宇宙就分裂了。每个粒子都存在不同的平行粒子，这些粒子平等地接受每一种选择。

叠加态不是一个粒子以自相矛盾的形式存在，而是整个宇宙像描图纸上的图像一样彼此重叠。

只要粒子不与所在的环境过度纠缠，那么所有涉及量子实验的宇宙都将保持联系，可一旦纠缠发生（比如说与探测器屏幕发生纠缠），它们就会分崩离析，变成各自独立的现实。

一个粒子在我们的宇宙中通过左侧的狭缝，在另一个宇宙中通过右侧的狭缝。这两种结果仍然混合在一起，在半空中形成干涉条纹，但当粒子到达探测器屏幕的时候，所有粒子都在不同的地方撞击屏幕—都在各自的世界里。

当你用“摄像头”测量狭缝的时候，并没有真的找到粒子选择的狭缝，而是找到了你所在的世界。当你测量到粒子通过左侧狭缝时，平行世界的你也测量到它通过右侧狭缝。这就是所谓的“多世界诠释”。在埃弗莱特看来，我们不再需要处理概率和测量。我们只需要承认，我们看到的只是庞大宇宙蛋糕的一小块。

想象一下，在40%的平行世界中，有一个粒子注定要成为斑马条纹的中心条纹。从逻辑上讲，你有40%的机会处在这些世界中的一个世界里，但实验开始的时候，你并不知道自己在哪里。你只能说，粒子撞击屏幕中心的概率是40%。

电子不是随机决定要去哪里的。平行时空的电子在同一时间四处遨游，但由于我们只能看到选项中的一页，所以看上去结果是不可预测的。这比哥本哈根诠释优雅得多，因为我们不需要毫无理由地放弃一半的答案。我们只需承认，它发生在另一个层面的现实里。

猫终于活了

最后终于有了好消息！当你的猫处于死／活叠加态时，意味着它在平行世界里死去和活着。当你打开盒子，碰巧发现一只煮熟的小猫，不必难过，因为另一个世界的你会发现它正健康快乐地活着。

多世界诠释也解释了EPR佯谬，使狭义相对论不会失去光彩。正如爱因斯坦相信的那样，当一对纠缠粒子被送到太阳系的两端时，它们的性质已经预先决定了，但存在着两个世界，这两个世界有相反的结果。

在其中一个世界，爱丽丝上旋而鲍勃下旋，但在另一个世界，鲍勃上旋而爱丽丝下旋。在测量之前，我们不知道身处哪个世界，所以我们认为结果是随机的—那仅仅是因为我们还没有解码自己的世界。当我们开始测量，并发现自己身处“爱丽丝上旋”的世界，这两个世界就分裂了，那个“爱丽丝下旋而鲍勃上旋”的世界被带到了多重世界的某个地方。

没有人知道分裂是如何发生的，但似乎每次粒子面临选择时，分裂就会发生。在埃弗莱特看来，关键不在于测量，而在于选择。

现在，当你坐着阅读这本书的时候，你体内的粒子正在面临选择：究竟要以何种方式围绕原子核振动。在某个世界它们选择某种方向，在另一个世界它们选择相反的方向。如果考虑现在宇宙中有多少个粒子，它们存在了多长时间，所能做出的选择就会非常多，我们甚至不可能给每个世界都起名字。

就在此刻，每一纳秒你体内就有数万亿个世界彼此分离，也有数万亿个世界从此消散。平行现实的数量如此之多，以至于没有人会试图计算今天有多少个世界。这就把我们带到了……

本书最重要的部分

多年来，理查德·费曼和斯蒂芬·霍金等名人都公开支持埃弗莱特的多世界诠释[6]，可当把它向大众披露时，埃弗莱特却遭到了无情的嘲讽。他选择放弃一切，转而为五角大楼的情报部门工作。

当埃弗莱特死的时候，他坚持要把自己的骨灰扔进垃圾桶，因为他已经完全不在乎[7]，而且，即使他在这个世界死去，还会在其他许多世界里活着。

我们可以这样说，由于每一种路径至少在一个现实中被选择，所以不同的思考过程和不同的事件都在不同的世界发生，每一个平行世界都有自己的历史。你能想象到的任何事情都可能发生在某个地方。

当然，物理定律仍然适用。没有一个世界里人类的皮肤是用云做的，也没有一个世界里青蛙听到口哨声会发光。但只要你坚持标准规则，那么每件事情都会至少在某处发生。

在其他世界中，美国没有赢得独立战争，柏林墙依然屹立，“奥斯蒙德兄弟”(1)在《疯狂的马》之后没有转向唱甜美的情歌，而是继续沉迷于摇滚。最重要的是，在遥远的多重现实里，存在这样一个世界，我，蒂姆·詹姆斯，就是蝙蝠侠。

决定，决定

辩论开始了。在撰写本书的时候，还没有一种实验能证明量子力学的哪一种诠释更好，因此它们都没有资格把自己当成权威。

在20世纪的大部分时间里，哥本哈根诠释是大份的玉米粉蒸肉，至今仍然是最受欢迎的，但它也是最令人恼火的，因为它需要你添加一些额外的东西，并在一些事情中加入你的信仰。

德布罗意-玻姆诠释在数学上是最复杂的，迫使我们接受隐秘的振动和导波，但如果是真的，它就带来了对测量问题的经典解释，足以被圈内人接受。

交易诠释在所有诠释中是独一无二的，因为它能解释为什么薛定谔方程需要两个波函数，但它无法预测在某个宇宙中我会成为蝙蝠侠，仅仅因此我们就可以拒绝它。

多世界诠释不需要在方程中添加新的东西（只需要添加新的宇宙），它是目前为止最优雅的诠释，但所有的存在都可以不断分裂成平行的版本，这个想法是不是太过了？

目前，仍无法确定哪种诠释是正确的。这些假设同样有效，所以选择哪一个仅仅是偏好的问题，但这并不意味着我们不能这样做。

2013年，马克西米利安·施洛斯豪尔询问了33名量子物理学家，看他们更喜欢哪种诠释[8]。14个人选择哥本哈根诠释，6个人选择多世界诠释（至少在这个世界他们是这样选的，在别的世界他们有别的选择），没有人选择交易诠释或德布罗意-玻姆诠释，少数人选择了我们没有提到的选项。

有4个人没有回答，也许他们是这群人中最纯粹的科学家。毕竟，对于一个没有任何证据的问题，最诚实的回答应该是“我不知道”。

正如艾萨克·阿西莫夫曾经指出的，人类不仅是智力动物，也是情感动物[9]，只要我们不信誓旦旦地认为自己的选择绝对正确，那么拥有最喜欢的东西就没有害处。所以，挑一个最烧脑的解释，然后坚持下去。

(1)　奥斯蒙德兄弟（the Osmonds），20世纪70年代的美国家庭乐队。—译注