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热爱隐藏的大自然

近90年来，量子力学始终是我们理解自然世界的核心理论。它无处不在，但也极度神秘，缺少了它，几乎所有现代科学都会变得毫无意义。然而，人们至今仍然很难就量子力学能够给出何种关于自然世界的论断达成一致意见。

量子力学解释了原子的存在、为什么原子能保持稳定，以及为什么不同的原子拥有不同的化学性质，量子力学还解释了原子之间如何互相结合形成各种各样的分子，因此，量子力学成了我们理解分子结构和分子间相互作用的基础，我们无法想象如果没有量子力学我们要如何理解生命。从水的外在表现到蛋白质的内在结构，再到由DNA和RNA完成的信息传递和信息保真，生物学中的一切都依赖量子。

量子力学解释了物质的性质，比如是什么让金属成了导体，而让另一些物质成了绝缘体。量子力学还解释了光和放射性，这是核物理学的基础。没有量子力学，我们就无法理解恒星是如何发光的，也无法发明电子芯片或激光，而我们有许多技术以芯片或激光为基础。量子力学是我们用来书写量子物理学标准模型的语言，它包含了我们所知的有关基本粒子及其赖以产生相互作用的基本力的一切。

根据我们目前研究早期宇宙的最优理论，所有物质以及所有最后合并成了星系的物质结构，都会在早期宇宙快速膨胀的过程中因真空空间的量子随机性而突然诞生。你或许无法精确理解这番话背后的含义，但或许可以在脑海中生成一幅大概的画面。无论如何，倘若这就是事实，那么如果没有量子物理学，一切都将不存在了，只会剩下空空如也的时空。

尽管量子力学取得了如此辉煌的成就，其核心仍是一个极难解决的谜题。量子世界的行为方式对于我们的直觉来说是一种挑战。你常常可以听到这样的说法：在量子世界中，一个原子可以同时处于两个地点，但这还只是量子世界怪异性的开始，这种理论的完整描述可比这一说法奇怪得多。如果原子可能在这里，也可能在那里，那么从某种程度来说，我们就必须称它的状态是同时处于这里和那里，即原子处于一种“叠加态”（superposition state）。

如果你是刚接触量子世界，你一定会好奇“原子在某种程度上同时处于这里和那里”是什么意思。对这一问题提出质疑是明智之举，因为这正是量子力学的核心谜团之一。就目前来说，你只需要知道这是量子力学的未解之谜，并且我们创造了一个叫作“叠加态”的术语就行了。接下来，我们就会揭开它的神秘面纱。

当我们说某个量子粒子处于既在这里又在那里的叠加态时，我们指的是物质那种像波一样的性质。因为波是一种可以扩散出去的扰动，所以当然可以既在这里又在那里。

我们刚刚谈论的是基本粒子，但其实包括原子和分子在内的任何量子都既有粒子的性质，又有波的性质，这就是所谓的“波粒二象性”。我们可以通过下面这个例子细细品味这种特性背后的含义。如果我们通过实验寻找某个原子，得到的结果会是它在确定的某处。然而，在各次测量之间，也就是当我们不去寻找这个原子的时候，我们就不可能准确预测它的位置。这就像是找到粒子的概率或倾向在我们没有寻找它时像波一样扩散开来，但只要我们再次搜寻，它就一定会出现在某处。

你可以想象我们在和原子玩捉迷藏。我们“睁开眼睛”——启动探测器，接着就观察到了它出现在某处，但当我们闭上双眼时，它就扩散成了一道概率波，而当我们再次“睁开眼睛”时，原子就一定会再次在某处出现。

量子世界特有的另一大特征叫作“纠缠”（entanglement）。如果两个粒子发生了相互作用，然后又分开，它们仍会共享某些性质，而且这些性质不能拆分成可以分别由这两个粒子单独享有的形式。从这个意义上说，虽然它们分开了，但仍交织在一起。

那些测量仪器则是我们所熟悉的世界中的“大型物体”——我们日常生活中常见的事物。我们可以确定的一点是：日常生活中常见的这些大型物体不会表现出量子力学所描绘的那种奇怪行为。椅子要么在这里，要么在那里，从来不会处于既在这里又在那里的叠加态。当我们于夜晚在陌生的旅店房间内醒来时，我们或许无法确定椅子在哪儿，但却可以肯定它就在房间中的某处。即使我们在黑暗中碰到这把椅子，我们的未来也不会和这把椅子的未来发生纠缠。

我们知道，在我们生活的这个世界中，一只猫要么是死了，要么还活着，哪怕把它锁在箱子里，情况也仍是如此。当我们打开箱子时，猫不会突然从既死又生的叠加态坍缩成或死或生的确定状态。如果打开箱子后，我们发现猫死了，那么它很可能已经死了一段时间了，我们甚至可以在打开箱子的那一刻闻到相应的气味。

普通物体看起来并不具有构成它们的原子所具有的那些怪异的量子性质，这似乎是显而易见的，但却引发了一个谜一样的问题。既然量子力学是自然世界的核心理论，那么，它就一定是普适的，也就是说，如果它适用于一个原子，就必然适用于更多的原子，我们有确凿的实验证据能够支持这一点。那些把大分子置于量子叠加态的精细实验向我们展示了，这些大分子所具有的量子怪异性与电子并没有什么不同，至少，它们都会像波那样发生干涉和衍射。

然而，这么推演下来，量子力学应该也适用于那些巨量原子的集合体，比如由原子构成的你、我、猫、椅子等，但事实似乎并非如此。量子力学似乎也不适用于任何我们用来给原子成像并揭示原子的量子怪异性的工具和仪器。这又是怎么回事呢？

需要指出的是，我们通常是运用大型设备来测量原子的某种性质的，那么，这些接受测量的原子很有可能处于叠加态，也就是同时处在不同的地方，因此，我们提出的这个问题有诸多可能的答案，但测量仪器总是只给出其中之一。为什么会这样？为什么量子力学在我们用来测量量子系统的那些设备上失效了呢？

这就是所谓的“测量问题”（measurement problem），自20世纪20年代以来，这个问题一直争议不断并且仍未得到解决。即便经过了这么长时间，专家们仍没能在这个问题上达成一致。这个事实意味着自然世界中有一些基本知识是我们尚未理解的。

因此，量子世界（原子可以同时处于多个地点）与寻常世界（所有事物在某一时刻都必然处于某个确定的地点）之间必然存在一条边界，越过这一边界，情况就会发生转变。如果一个由10个或90个原子构成的分子可以用量子力学描述，但一只猫不行，那么这两者之间必然存在一条分界线，而这一分界线就是量子世界的终点。测量问题的答案会告诉我们这条分界线在哪，并且会解释这种转变是如何发生的。

有些物理学家确信自己知道测量问题的答案，随后，我们就会论述他们的观点。我们想要知道的是，把这种疯狂的量子性质从我们对世界的理解中剔除需要付出什么代价。

一般来说，那些想要破解量子力学之谜的物理学家，可以分为两派。

第一派物理学家认为：人们在20世纪20年代提出的这个理论本质上是正确的。这一派物理学家相信，问题不在于量子力学本身，而在于我们理解或谈论量子力学的方式。这种降低量子力学的怪异性的策略可以追溯到丹麦物理学家尼尔斯·玻尔等几位量子力学奠基人。

玻尔在20多岁时就率先把量子理论应用于原子理论。随着年岁的增长，玻尔成了量子革命的实际领导人，这一方面是因为他的想法很有吸引力；另一方面则是因为他教授并指导了许多年轻的量子理论革命者。

第二派物理学家认为：量子力学并不完备，这种理论的某些解释之所以不合情理，是因为它并不全面。他们致力于寻找能够告诉我们全部真相的理论，并且想要在这个过程中揭开量子力学之谜。这个策略可以追溯到爱因斯坦。

爱因斯坦正是开启这场量子革命的第一人，他首次阐明了光的波粒二象性。如今，他更为人们所知的成就是提出了相对论，但他获得诺贝尔物理学奖的原因是量子理论方面的工作。他本人也承认自己花在量子理论上的时间要比相对论多得多。然而，即便爱因斯坦开启了这场量子革命，他也没能成为领导者，因为当量子力学在20世纪20年代被正式建立的时候，拥有现实主义情节的他无法接受这个理论。

按照我们在前言中介绍的分类，上述第一派物理学家中大部分都是反现实主义者或魔幻现实主义者，而第二派则主要是现实主义者。

那些认为量子力学不完备的人指出了这样一个事实：在大多数情况下，量子力学只能对实验结果给出统计学预测。也就是说，量子力学只能给出各个实验结果出现的概率，但并不能告诉我们究竟会发生什么。爱因斯坦在1926年给他的好友马克斯·玻恩（Max Born）的一封信中写道：

量子力学的确令人印象深刻，不过，我内心中有个声音告诉我，它还不是事情的真相。这种理论的确提供了很多信息，但并没有让我们真正解开一些“旧理论”的秘密。无论如何，我确信他（上帝）不掷骰子1。

爱因斯坦也是玻尔的朋友，他俩对量子力学截然不同的态度引发了一场激烈的辩论，这场辩论持续了40多年，直到爱因斯坦逝世。他们两人在学术上的后继者们则把这场辩论延续到了现在。爱因斯坦是第一个明确提出我们需要一种革命性的关于原子和辐射新理论的人，但他无法接受这一理论就是量子力学，他对量子力学的第一反应是觉得它不自洽（不过，后来的发展证明爱因斯坦的这个想法并不正确），继而，他指出量子力学对自然世界的描述并不完备，它遗漏了其中很重要的部分。

我认为，爱因斯坦之所以不把量子力学当作权威理论，是因为他对科学有着极高的追求。超越主观意见并发现自然世界的真实图景，即用一些永恒的数学定律揭示现实的本质，这一愿景驱动着他前进。对爱因斯坦来说，科学的宗旨就是捕捉世界的真谛，而且这种真谛是独立于我们而存在的，与我们对它的看法与了解没有任何关系。

爱因斯坦一定觉得这个要求由自己提出最为合适，毕竟他在发现广义相对论和狭义相对论时就已取得过这样的成就。在奠定了量子物理学的基础之后，他想要通过对原子、电子和光的完整描述来捕捉原子世界的真谛。

玻尔认为，原子物理学理论在以下两个方面需要革命性的修正：一是我们如何理解科学的含义；二是我们如何看待现实与我们对现实的认识之间的关系。这种需要的根本原因在于我们是这个世界的一部分，所以，我们必定会与自己想要描述的原子产生相互作用。

玻尔断言：一旦我们在思想上完成了这种革命性的转变，量子力学就必然会变得完备起来，因为它在我们这些试图描述这个世界的参与者身上扎了根。在玻尔看来，既然现在没有比量子力学更完备的描述世界的理论，那么它就是完备的。

如果我们拒绝这些哲学革命并且坚守对现实及其与观测和认知之间关系的传统观点，我们就得付出另一种代价：深思自己是否在认识自然世界的某些方面犯了错，还必须找到那种看似寻常实则错误的观点并用一个全新的物理学假设代替，而这个假设会打开通往足以使量子力学更趋完备的新理论的大门。

为此，从1935年爱因斯坦和两位合作者撰写的一篇论文开始，物理学家们提出了大量理论，并开展了大量实验，现在我们已经了解了这种完备化进程的一个方面：新理论必须打破一个常识性假设——物体只会与空间上较为接近的其他物体发生相互作用，这个假设被称为局域性。我们将在后续章节中讨论的一大重点就是，我们如何在取代量子力学的新理论中超越这种常识性观点。

本书主要有三大目标。第一大目标是，我想对非专业人士讲述量子力学的核心存在什么样的谜团。直到人类已经研究量子力学长达一个多世纪之后的今天，大家都没有就这些谜团的答案达成一致意见，这就足以说明问题了。

不过，在这场关于量子力学是不是物理学终极理论的大辩论中，虽然我是以客观公正的方式向读者介绍辩论双方的论点，但我本人并不会保持中立，我站在爱因斯坦这一边。我相信有一层比玻尔描述得更为深邃的现实，而且，我们可以在既不与已有的传统观点相悖又不损害我们理解和描述现实的能力的前提下理解这层现实。

我的第二大目标就是提出一种关于量子力学之谜的观点：只有通过科学的进步才能解决这些问题，而这种进步必然会使我们发现量子力学之外的世界。那些量子力学神秘难解的地方，这个更深邃的理论会给我们一个清晰的解答。

我之所以敢下这个断言，是因为自量子力学问世以来，我们已经掌握了以解开谜团、解决问题的方式提出理论的方法。在应用这个方法的过程中，我们对于客观现实的传统信仰不会受到挑战，所谓的客观现实就是指不受我们的认知和行为影响的现实，也只有这种现实才可能让我们获取对它的完整认知。这个客观现实中只存在一个宇宙，我们之所以能够观察这个宇宙的某些性质，是因为它是真实的。这可以称为量子世界的现实主义方法。

一种反现实主义的方法把量子力学之谜归因于与我们获取自然知识相关的微妙性，这种方法对与我们认识事物有关的哲学分支“认识论”提出了一些激进的观点。现实主义方法假定我们早晚会获得对这个世界的真实表述，因此对认识论谨慎地秉持朴素观点。真正令现实主义者感兴趣的是“本体论”，也就是关于世界的本原的研究。相较之下，反现实主义者认为，我们只有通过与世界发生相互作用才能获取对这个世界的认知，否则，我们不可能知道世界的本原到底是什么。

我会在本书中努力消除读者的疑虑，并证明我们完全可以用现实主义观点来理解量子力学。所谓的现实主义观点，即认为外部世界完全可以独立于我们而存在这样一种观点。也就是说，观察者不会对观察对象造成任何神秘的影响，现实就在那里，完全不会受我们的意志和选择所影响。这种现实就完全符合我们的认知，并且也只包含一个世界。

这些量子力学现实主义方法的存在本身并不意味着那些从哲学角度看更为复杂的激进理论是错误的，但确实意味着没有足够有力的科学理由促使我们相信它，因为只要现实主义是能够实现的，那么它总会受到科学的偏爱。

那么，现实的存在依赖于我们的认知以及存在多重现实这些怪异的思想为什么会激起那么多关于量子理论的讨论呢？这就是人类思想史学家应该回答的问题了。保罗·福曼（Paul Forman）是其中的一位，他把20世纪二三十年代在科学圈内占据主导地位的这种思想同玻尔与海森堡等人拥抱混乱的反现实主义哲学，以及奥斯瓦尔德·斯宾格勒（Oswald Spengler）等人在第一次世界大战后提倡的非理性联系在了一起。

那段历史很迷人，但如何对其进行评判则是历史学家们应该做的事了。我不是历史学者，而是一名科学家，这就引出了我撰写本书的第三大目标。

爱因斯坦认为我们应该追寻比量子力学描述得更加深邃、简单的现实，从我这个高中辍学生第一次看到他的这种观点之日起我就一直站在他这边。我的物理学生涯始于阅读爱因斯坦的自述笔记。那是20世纪50年代，他在生命的最后几年中写道，他仔细思考了在他看来尚未完成的物理学的两大任务：其一是彻底理解量子物理学；其二是把这个对量子理论的新见解和引力理论（即广义相对论）统一起来。我当时就觉得自己可以通过努力帮上点忙，虽然我很可能不会成功，但或许这里的确有些值得为之奋斗的东西。

在我阅读爱因斯坦的自述笔记并知晓了自己的使命之后，我就发现了前面提到的那本包含德布罗意的思想的书，接着我进入了一所优秀的学院、找到了伟大的老师，并且在申请研究生院及后续深造时幸运地获得了几次不错的机会。我现在的生活很精彩，作为一名前沿科学家，我有许多机会来解决爱因斯坦留下的两大问题。

虽然时至今日我们还没有取得成功，但是，在过去的几十年里，我们至少在这个问题上取得了一些进展。虽然这些进步还远未达到能够解决问题的程度，但至少好过完全止步不前。跨越量子力学限制的理论必须克服何种障碍，我们对这个问题的了解已经比爱因斯坦深入得多。正因如此，我们提出了一些非常有趣的理论和假设，它们可能会构成我们正在探寻的更深邃理论的框架(2)。

自20世纪70年代中叶起，我就一直在思考如何超越量子力学这个问题，我从未像今天这样对成功的前景感到兴奋并抱有一种乐观的态度。这就是我写作本书的第三大目标：在我们探寻量子力学之外的世界的前沿阵地上，向更多读者汇报我们的工作。