共识的崩塌
简而言之,薛定谔从两个方面改变了人们对世界的经典描述:
●一个粒子的状态是由波函数来描述的,而不是位置和速度。
● 这个状态随时间的改变是由薛定谔方程来描述的,而不是牛顿定律或爱因斯坦的定律。
人们把薛定谔的发现看作20世纪最伟大、最重要的成就,因为它深刻地变革了物理学和化学。但同时,它也让人们抓耳挠腮,困惑不已:如果一个物体竟然能同时出现在几个不同的地方,为什么我们从来没有观察到这个现象呢(喝醉时除外)?这个谜被称为“测量问题”(measurement problem,在物理学中,测量[measurement]和观察[observation]是同义词)。
在经过各方争议和讨论后,玻尔和海森堡想出了一个补救措施,被称为“哥本哈根解释”(Copenhagen interpretation),直到今天它依然出现在众多量子力学教科书上,受到大多数人的支持。这个解释最关键的一点是在上述第二条中加入了一个“后门”,假定薛定谔方程只在某些时候起作用,而是否起作用取决于是否存在观察者。具体而言就是说,如果某个物体没有被观测,那么其波函数的变化是符合薛定谔方程的。但是,如果它正在被观察,那它的波函数就会坍缩,这样,你就会观察到它只位于同一个地方,而不是同时位于许多地方。这个坍缩的过程是突然发生的,而且本质上具有随机性。与此同时,你观察到粒子位于某个特定位置的概率是由它波函数的平方决定的。这样,波函数坍缩就巧妙地逃脱了神经兮兮的叠加态,并能解释我们所熟知的、物体在同一时间只出现在同一个地方的经典世界(见图6-8)。表6-3总结了迄今为止我们所探讨过的量子概念以及它们之间的相互关系(希尔伯特空间和最后三个概念将在下一章里讲解)。
哥本哈根解释还包含许多其他方面,但是上面所说的这部分是最广为接受的。我渐渐发现,我的一些同行们尽管欢呼雀跃地视哥本哈根解释为量子力学的最佳诠释,但却无法在其他方面达成共识,这让谈论哥本哈根解释变成了一件时髦的事。正如相对论先驱罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)嘲笑的那样:“对量子力学有许多不同的态度。这些态度数量之多,恐怕比量子物理学家的数量还多。这并不矛盾,因为许多量子物理学家同时持有多种不同的观点。”确实,关于哥本哈根解释究竟对现实世界的本质有何隐喻,哪怕是玻尔和海森堡的意见都有些轻微相左。不过,不管怎样,那时所有物理学家都一致同意,哥本哈根解释与实验室的观测结果十分相符。
然而,并非所有人都为之兴奋。如果波函数坍缩真的会发生,这将意味着,自然规律中隐藏着随机性的本质。爱因斯坦内心深处对这个解释十分不悦。他认为宇宙不应该是随机的,而应该是确定的。为了表达他的偏好,他说出了那句著名的话,后来被广泛引用:“我不相信上帝会掷骰子。”毕竟,物理学的本质就是由现在预测未来。现在倒好了,物理学的预测功能不仅在实践中无法做到,甚至在理论上都行不通了。即使你聪明绝顶,并且将宇宙中的每一个波函数都谙熟于心,你也无法计算出这些波函数在未来会变成什么样,因为只要宇宙中存在观察者,波函数就会发生随机改变。
波函数坍缩还引发了其他方面的恐慌,比如,由于坍缩是由观测引起的,于是,观测这一动作被提升到了一个重要的位置。当玻尔大声疾呼“没有观测,就没有真实”时,似乎把人类又推回了中心地位。许多年以来,哥白尼、达尔文等科学家的研究逐渐抹去了人类的傲慢与自大,并对那些认为宇宙万物都围着我们旋转的人类中心论提出了警告。然而,哥本哈根解释却把我们引回了老路。在哥本哈根解释中,现实世界似乎是由人类创造出来的,而我们创造它的方法很简单,只需要看它一眼。
还有一些物理学家也十分烦恼,因为哥本哈根解释缺乏数学上的严谨性。传统的物理学理论都是由数学公式来描述的,而哥本哈根解释中却没有数学公式来定义究竟什么是观测,即波函数究竟会在何时坍缩。必须要有一个人类观察者才会引发波函数坍缩吗,还是更广义的意识也可以?正如爱因斯坦所问:“月亮会因为一只老鼠看了一下天而存在吗?”那么,机器人会引发波函数坍缩吗?网络摄像头呢?
本书评论