真实之辩

（文 / 苗千）

( 美国物理学家休·埃弗雷特 )

量子力学算得上是人类历史上最成功的科学理论，它以明确的数学形式描述微观物体的物理性质和运动规律，它的成功在于它诞生之后的100多年里，人类没有发现任何与量子力学理论相违背的现象。同时，现代生活的方方面面也大多以量子力学作为理论基础。

从另外一个方面来说，量子力学也是人类至今为止发现的最为怪异的科学理论，在它成为物理学的基础理论的同时，它的本质对于人类来说仍然是一个谜。在量子力学所主宰的微观领域中，物质的性质和运动规律都发生了彻底的改变，与宏观世界完全不同：微观粒子可能同时呈现出物质和波两种性质，粒子也不再具有确定的位置和动量，这些物理量要受到测不准原理的制约。在微观领域，需要通过“概率密度”来描述粒子的位置和运动规律，而对于一个微观系统进行观测，则会对一个微观系统的状态带来决定性的影响……这些在量子世界的奇特现象，深深地改变了人类对于客观世界的认识，同时也开启了物理学家关于物质实在性的长久的争论。而引发量子世界种种奇特现象的核心，正是量子力学对于微观世界中物质状态的描述方式——量子态，而对于描述量子态的数学形式波函数的本质，更是物理学家们长久以来争论的焦点，至今仍然没有停息。

1926年，奥地利物理学家埃尔文·薛定谔（Erwin Schr?dinger）在前一年维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）、马克斯·玻恩（Max Born）和帕斯库尔·约尔当（Pascual Jordan）工作的基础上发表了“薛定谔方程”，用来描述量子态随时间变化的规律，这个成果一经发表就引起了物理学界极大的关注，就连爱因斯坦都写信赞扬说，“您的工作是真正的天才迸发”。但是在接下来将近90年的时间里，物理学界仍然在为如何理解描述量子态波函数而争论，这也正是关于量子力学本质的争论。

波函数到底是什么？它在方程中用一种波的形式来描述，但是它的性质显然和存在于三维空间中真正的波不同，那么波函数是否是一种存在于多维抽象空间的真实的物理量呢？如果波函数是一种真实存在的波，那么它必定具有一种非常独特的性质，其中最难以让人理解的，就是波函数的“塌缩”——当人们对一个量子态进行观测时，本来以概率化形式存在的量子态，则会突然塌缩成为一个确切的状态。因此，在量子力学的核心波函数里面，又出现了“观测”的问题，这使得量子力学显得更加难以理解。

就是因为波函数的特殊性质和由它所引申出的量子世界种种让人难以理解的现象甚至是悖论，很多物理学家至今都不相信波函数揭示了自然界的规律，认为它所揭示的，只是一种物质更为深刻规律的表象而已。在持有这种观点的科学家当中，爱因斯坦对于波函数的理解最为著名，他认为波函数只是一种更深层理论的概率化展示，只是因为人类对于自然界的认识所限，目前还没有发现自然界更基本的规律，但是无论如何，“上帝不会掷骰子”——也就是说，持有这种观点的物理学家都否认波函数的物理实在性。

( 量子力学创始人之一——尼尔斯·玻尔 )

而另一派物理学家则持截然相反的观点，美国物理学家休·埃弗雷特（Hugh Everett）坚信，波函数真实存在，它是物质一种真实的性质。但是这种观点在目前还无法解释波函数的塌缩悖论，因为当观测一个微观系统的量子态，导致波函数的塌缩，这个过程是即时发生的，速度超过了光速，这实际上违反了相对论。

因为人类至今难以理解量子力学的种种核心问题，又因为量子力学的准确性，使得物理学家们在几十年来大多都采取了一种实用主义者的态度，利用量子力学做计算。这以量子力学的创始人之一——尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）的态度最有代表性，他并未对波函数的本质，甚至是物质的实在性有过多的探讨，但是波尔认为目前量子力学关于波函数的理论和假设都与我们的实验结果相符，这是最重要的。这种实用主义者的态度也正是大多数物理学家的态度，他们埋头计算，在物理学和工程学领域都取得了很大进步，但是，关于量子力学和波函数本质的话题，仍然不停地被提出，至今还没有结果。

( 奥地利物理学家埃尔文·薛定谔 )

2002年1月，来自美国贝尔实验室的物理学家卡尔顿·凯弗斯（Calton Caves）、克里斯托弗·福克斯（Christopher Fuchs）和英国皇家哈洛威学院的物理学家吕迪格·沙克（Rüdiger Schack）共同发表了一篇论文《贝叶斯主义概率形式的量子概率》（Quantum Probabilities as Bayesian Probabilities），这篇论文标志着一个研究量子力学本质的小组——量子贝叶斯主义（Quantum Bayesianism）小组的成立。量子贝叶斯主义小组聚集了一群少数派物理学家，他们希望可以在不改变量子力学的数学形式的前提下，解决波函数带来的种种悖论，这其中很重要的一点就是理解量子力学中的概率问题。

概率的概念就像时间的概念一样，初想起来觉得容易理解，但是仔细思考却困难越来越多。抛一个硬币100次，可能硬币两个面朝上的次数基本相同，我们就可以说抛一个硬币其中一面朝上的概率是50%。可是，当我们说一件独一无二的事情成功的概率是多少，这又怎样理解呢？这实际上是人们在头脑中总结以往生活经验然后得出的一个结论。量子贝叶斯主义小组的物理学家们认为，量子理论中波函数的概率形式，和日常生活中所说的概率具有同样的本质。也就是说，波函数本身不是一个实在的物理量，而是人头脑中的一种状态，因此，随着人们对于一个量子系统了解的不断深入，对于它的状态的估计也就不断地在改变，这也就相当于波函数不断地随时间变化，这样，也就不存在波函数的塌缩问题。量子力学中的种种悖论，正是由于人们认为波函数是一种实在的物理量，如果认定它只是用来描述人的大脑的一种状态，种种悖论（包括薛定谔的猫悖论）也就不存在了。

但是，显然不是所有的物理学家都同意这种观点，另外一组科学家则持有相反的观点。他们证明，波函数不仅仅可以用来计算，它还是一种真实存在的物理量。2012年5月，英国帝国理工学院的物理学家马修·皮赛（Matthew Pusey）、特里·鲁道夫（Terry Rudolph）和英国皇家哈洛威学院的物理学家乔纳森·巴雷特（Jonathan Barrett）在《自然·物理学》（Nature Physics）杂志上发表了论文《论量子态的真实性》（On the Reality of the Quantum State），这篇论文对波函数的本质进行了一些探讨。论文通过一个假想实验证明，对于每一个独立的物理状态，都有一个独一无二的波函数与之对应——如果波函数与物质的客观状态是一一对应的关系，那么，波函数就可以看作一个有实际意义的物理量，即使它没有解释物质的全部本质和规律，起码也揭示了物质一部分的本质，它是客观存在的。如今，这三位作者的论证被称为PBR定理，这个定理论证，如果量子力学是正确的，那么波函数就不可能只是一种没有意义的数学形式，而是一种具有实际意义的物理量。

对于量子力学本质的争论，让人又想起了那一句老话：“没有人理解量子力学。”虽然人类目前已经利用量子力学的理论进行了了不起的创造，但是以人类目前对自然界的认识水平来说，可能仍然难以理解量子力学的概率化本质。而关于波函数本质的争论，也让人想起关于光的本质那场持续了200年的争论，争论的结果是双方之前都不曾预料到的，并且这场争论也极大地提高了人类对于自然界本质的认识水平。物理学家们不可能永远都只采取一种实用主义者的态度来回避量子力学的本质问题，自然界的本质终将会在人们的探求中逐渐展开。 本质主义概率计算科学物理真实本质与现象量子力学之辩波函数