专栏名称: 中科院物理所

物理所科研动态和综合新闻；物理学前沿和科学传播。

当我们的现实出现了悖论（下）

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-12-10 12:00

正文

、‘、；；；；#00958C

认真阅读下面的文章，并思考文末互动提出的问题，严格按照 互动：你的答案 格式在评论区留言，就有机会获得由新星出版社提供的优质科普书籍《宇宙是什么》。

一百年前，一群物理学家动摇了科学的基础，这震撼至今且仍在持续。

为了更好的阅读体验，推荐先阅读本篇文章的上半部分：当我们的现实出现了悖论（上）

玻尔的理论让薛定谔不眠

起初，即便是对于海森堡的一些哥本哈根同事来说，他的矩阵力学也太过超前了。海森堡的数学推理部分是没问题的，但令人震惊的是海森堡坚持认为，力图寻求正在发生的事情的物理图像是没有意义的。他说道，忘记原子中电子轨道的整个概念吧——那只是一种说话方式。但泡利反对道，我们可以看到月亮沿着轨道运行！电子怎么会有什么不同呢？

“时空怪客”：尼尔斯·玻尔（左），图中为1930年与马克斯·普朗克在哥本哈根大学理论物理研究所的合影。玻尔将普朗克提出的关于量子领域的激进新思想联系在一起。图片来源：哥本哈根尼尔斯·玻尔档案馆。

另一方面，玻尔似乎很享受解决这个难题的过程。“我们遇到了一个悖论，这真是太棒了，”他说。“现在我们有望在物理学中取得进展了。”这就是玻尔的全部态度：把矛盾当作答案来接受。这就好像是，如果仅仅通过创造一个词来描述的话——并协原理——玻尔就声称自己已经解决了问题。并协原理可以大致理解为矛盾的事物可以都为真，但只是不能同时为真。粒子可以是波，反之亦然——但不能同时是两者。

玻尔喜欢说这样一句话：“一个深刻真理的对立面可能恰好是另一个深刻真理。”

玻尔因其表述想法的晦涩难懂而备受批评，无论是写作还是讲座中皆是如此，但这似乎是因为他正在努力表达那些日常语言无法具体描述出来的想法。当我们说像波一样的量子粒子可以“同时处于许多位置或状态”，或者说对粒子某一性质的测量会使其“坍缩”成单一的确定值，使原本分散的波动性消失，或者说一种被称为纠缠的奇异量子现象可以使得对一个粒子的测量瞬间影响到另一个无论多远的粒子时，我们实际上并不是在谈论量子力学是什么样的，而是在基于我们自己的经典直觉来构建量子力学的图像——而这正是量子力学所反对的。

量子力学用某种令人不安的主观性取代了旧的现实。

薛定谔认为，他基于波的量子力学理论提供了一种可以绕过哥本哈根学派所提出的那种模糊、未成形现实的方法。确实，量子粒子可以像波一样表现很奇怪，就好像它们在空间中散开了一样——但一旦你接受了这一点，那么波的物理图像至少让人感觉像是某种真实的东西。但当薛定谔于1926年秋访问哥本哈根讨论他的理论时，他并没有完全预料到他所得到的回应。玻尔后来相当平淡地说，“薛定谔给我们讲述了他那令人印象深刻且出色的工作。”事实上，那是一场激烈的争论。

薛定谔与哥本哈根学派举行了一次研讨会，但是显然这场研讨会陷入了混乱。根据一种说法，“六七个物理学家大声喊叫着提出反对意见和问题。玻尔忘记了他的烟斗，在房间里踱步。每个人都在和相邻的物理学家们激烈地讨论……这场骚动持续了大半周。”

由于争论过于激烈，薛定谔显然被累坏了，并且在研究所的客房里因发烧而卧床不起。但这并没有让他得到喘息的机会。玻尔继续在薛定谔的床边争论这个问题，直到玻尔的妻子玛格丽特出于对他们这位客人脆弱的健康的考虑，说服他放弃争论。

“如果我知道量子力学的波动理论会被如此严肃认真地研究，以至于引发所有这些讨论，”薛定谔在某一时刻说道，“我绝不会发明它。”而如果我们不得不接受玻尔、海森堡及其同事所宣称的那些可恶的量子跃迁，相比之下，“我会后悔自己曾经涉足量子理论。”

但玻尔回应说，其他人都很感激薛定谔提出了波理论，因为“薛定谔提出的波动力学代表了相对于所有先前形式的量子力学的一个巨大进步”。玻尔并不仅仅是在安抚他的客人；令海森堡沮丧的是，玻尔和他的许多同事都更倾向于使用薛定谔的波函数计算，而不是海森堡的矩阵，因为波函数的形式通常更便于计算。薛定谔本人证明了量子力学的这两种形式是等价的，所以使用哪一种只是个人喜好问题。

无论怎么说，薛定谔的波动力学并没有描绘出他和爱因斯坦所期望的那种现实。他的理论以一种称为波函数的数学表达式来表示关于量子物体状态的所有可能描述，人们可以从这个波函数中预测对该物体进行测量的结果。波函数方程所描述的对象看起来很像普通的波，比如空气中的声波或海上的水波。但这是什么波呢？

在一开始，薛定谔认为，在空间某一给定点的波的振幅（可以想象成水波的高度）是衡量该处量子粒子分布密度的一个指标。但玻恩认为，实际上这个振幅（更确切地说，是振幅的平方）是衡量我们在对该粒子的位置进行测量时，在那里找到该粒子的可能性的一个指标。

海森堡最令人困惑的推论

这个所谓的玻恩规则正是量子力学之所以如此奇特的核心所在。经典牛顿力学允许我们计算像棒球或月球这样的物体的运动轨迹，从而我们可以说出它在某个给定时间将位于何处。但薛定谔的量子力学并没有给我们提供像牛顿力学那样，能够描述量子粒子运动轨迹的等价物。相反，它告诉我们获得特定测量结果的可能性。这似乎与其他科学理论的方向相反：它并不限定于指向某一个它所描述的实体，而是指向我们对它的测量。如果我们根本不对粒子进行测量呢？波函数是否仍然告诉我们粒子在某一给定时间位于某一给定点的概率？不，它对此没有说明——或者更准确地说，它不允许我们对此做出任何说明。它只涉及测量结果的概率。

重要的是，这意味着我们所看到的结果取决于我们测量的内容和方式。在某些情况下，量子理论表明，如果我们以一种方式测量，我们会看到一个结果，而如果我们以另一种方式测量同一个系统，我们会看到不同的结果。这并不是因为测量以某种物理方式干扰了物体（这被认为是海森堡与玻尔之间争执的原因），就像我们把温度计插入试管中可能会非常轻微地干扰溶液的温度一样。相反，这似乎是大自然的一个基本属性，即获取关于它的信息这一事实本身就会引起变化。

快乐的一餐：维尔纳·海森堡（左）和尼尔斯·玻尔就量子理论描述的现实进行了无休止的争论，有时甚至让海森堡非常难过。然而，他们的友谊一直持续到他们生命的尽头。1936年，在哥本哈根大学理论物理研究所的餐厅里，他们正在进行一次亲切的交谈。图片来源：哥本哈根尼尔斯·玻尔档案馆。

如果，我们把现实定义为我们能够观察到的世界（因为如果无法以任何方式看到、检测到甚至推断出某物，我们又如何能有意义地称之为真实呢？），那么很难避免得出这样一个结论：我们在决定什么是真实的过程中扮演着积极的角色——美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）将这种情形称为“参与性宇宙”。这一观点对爱因斯坦来说似乎荒谬至极，他愤怒地质疑道，难道月亮只有在他观看时才是真实存在的吗？

爱因斯坦对这一切感到不安是完全正确的。如果你真正理解了哥本哈根学派所传达的信息，你又怎能不感到不安呢？在一次讨论之后，当有人告诉玻尔，想到这些含义就让他们感到头晕目眩时，他回应道：“如果有人说他能思考量子问题而不感到头晕，那只能说明他根本没有理解量子问题的第一点。”

海森堡的“不确定性（uncertainty）”的这个词捕捉到了这种基础动摇的感觉。这个词并不理想——海森堡本人最初使用的是德语“Ungenauigkeit”，意思更接近“不精确性”，以及“Unbestimmtheit”，可翻译为“未确定性”。问题不在于对量子物体状态的不确定性，而在于根本就没有什么可以确定的东西。

不确定性原理背后还有一个更令人不安的含义。当原子中的电子似乎可以在任意不确定的时间从一个能级跳到另一个能级时，量子现象的模糊性似乎表明了因果关系本身的消亡。在量子世界中，事情确实发生了，但人们却不一定能找出其中的原因。在1927年关于不确定性原理的论文中，海森堡质疑了自然界中的原因会导致可预测的结果这一观点。这似乎颠覆了科学的基础，让世界看起来像一个没有规律、有些随意的存在。

多种不同的对量子力学的解释表明物理学家们想要重新找到一个客观现实。

现实，这个曾经由定义明确的粒子通过精确定律相互作用的世界，在这个世界里，原则上只要完全了解现在，就可以预测未来，现在似乎变成了一片可能性的迷雾，在这片迷雾中，观察者不再有任何客观的观点可以立足。否认任何独立于我们对其认识之外的预先存在的现实立场，被称为反实在论（anti-realism）。那么，这就是哥本哈根解释的真正含义吗？

有些人会这么认为，但是哥本哈根学派的理论和这个推论之间的联系这并不明显。将量子力学视为关于测量结果可能性的理论，并不等同于说在测量之前什么都不存在。这仅仅是承认理论在这方面所能表达的局限性。

可以说，在这种观点下，理论不是讲述事物本身是如何的，而是讲述如果我们观察会看到什么。它并不否认世界上存在某种产生观察的对象是独立存在的，只是否认了我们对它进行断言的权利。科学史学家马拉·贝尔（Mara Beller）用另一种方式表述：玻尔的观点意味着，我们不需要采用实在论的世界观来使用量子力学对我们将观察到的结果进行预测。

如果量子力学是正确的，那么对量子力学的合理解释应该是在向我们展示，我们能对现实肯定地得出什么结论存在一个界限。这正是塞林格（Zeilinger）在寻求更深入理解时所倡导的严谨态度（而哥本哈根学派在阐释时并未总是足够谨慎以明确这一点）。

问题在于，玻尔、海森堡及其合作者往往暗示这样的尝试是徒劳的；我们只需接受事实就是这样。难怪爱因斯坦和其他人如此努力地想要恢复某种形式的老式客观现实。

玻尔最具挑战性的观点之一是，模糊、概率性的量子世界与真实地点上真实物体的经典世界之间存在着根本的区别，比如，当我们用宏观仪器测量电子时，它会告诉我们电子在这里而不在那里。

玻尔对于量子力学的观点令人对世界的理解发生动摇。他指出，现实并不由位于时间和空间中的物体构成。它由“量子事件”构成，这些事件必须保持自洽（在量子力学能够准确描述它们的意义上），但彼此之间不必保持经典意义上的一致性。就我们目前所能判断而言，这其中的一个含义是，两个观察者可能会从同一事件中看到不同且相互冲突的结果，然而他们却可能都是正确的。

但是，量子世界和经典世界之间这种僵硬的界限在今天已无法维持。科学家们现在可以开展实验，探究量子规则和经典规则被认为适用的尺度之间的范围——既不是微观尺度（原子尺度），也不是宏观尺度（人类尺度），而是介观尺度（中间尺度）。例如，我们可以观察纳米粒子的行为，这些粒子可以被看到和操控，但又足够小，以至于受量子规则支配。这些实验证实了量子和经典之间不存在突兀的界限。如果我们的设备足够敏感，仍然可以在这些中间尺度上观察到量子效应，但随着系统中粒子数量的增加，这些效应可能更难分辨。

为了理解这些实验结果，我们并不需要采纳量子力学的任何特定解释，而是只需要比玻尔及其同事们所做的那样，更广泛地应用标准理论——比如包含在薛定谔的波动力学中的理论——用它来探索量子物体与其周围环境相互作用时会发生什么。通过这种方式，物理学家们开始理解信息是如何从量子系统传递到其环境中的，以及在这一过程中，量子概率的繁琐性是如何转变为经典测量的精确性的。得益于这些工作，我们的熟悉世界似乎开始呈现出量子力学在身高6英尺（约1.83米）的人类视角下所呈现的样子。

但是，即使我们设法完成了将量子与经典统一起来的任务，我们可能仍然无法弄清楚这一切究竟是由什么样的原因，或者说什么样的现实引起的。也许有一天，另一种更深层的理论会告诉我们答案。或者，也许一百年前的哥本哈根学派是正确的，我们不得不接受一种偶然的、暂时的现实：一个在我们决定它将如何存在之前，尚未成型的世界。

作者：Philip Ball

翻译：*0

审校：Aegon

原文链接：When Reality Came Undone

福

利

shi

时

jian

间

今天我们将送出由新星出版社提供的《宇宙是什么》。

宇宙由什么构成？我们以及我们的世界为何会存在？

本书为著名物理学家村山齐教授关于“宇宙是什么”的长销科普名作。书中以破解“宇宙的本原与法则”为线索，结合基本粒子物理学与宇宙学的研究，用推理小说般的行文呈现了宇宙的起源、可能结局以及底层构造，细致描绘了人类追寻宇宙之谜的壮阔历程。此外，作者带领读者探索了“额外维度”“暗物质”“反物质”“暗能量”等宇宙谜题，不仅描绘出了宇宙的整体图景，还探讨了当前宇宙研究中待解决的关键问题，是了解宇宙的科普佳作。

【互动问题：大家还知道有哪些物理理论是因为存在矛盾和争议而进一步发展的吗？】

请大家严格按照 互动：问题答案 的格式在评论区留言参与互动，格式不符合要求者无效。

截止到本周四中午12：00，参与互动的留言中点赞数排名第二、三、五的朋友将获得我们送出的图书一套（点赞数相同的留言记为并列，下一名次序加一，如并列第二之后的读者记为第三名，以此类推）。

为了保证更多的朋友能够参与获奖，过往四期内获过奖的朋友不能再获得奖品，名次会依次顺延

*本活动仅限于微信平台

编辑：7号机

翻译内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

近期热门文章Top10

↓ 点击标题即可查看 ↓