量子力学，怪也不怪

作者简介

菲利普·鲍尔（Philip Ball），物理学博士，化学学士，自由科普作家、播客人、BBC科学史栏目“科学的故事”出品人。曾任《自然》期刊编辑二十余年。创作领域覆盖科学、文化、艺术及其交叉领域。著有《分子》《如何制造一个人》《预知社会》等。 丁家琦，毕业于北京大学物理学院，现从事科学传播工作，译有《发现宇宙》等。

内容简介

01 没人能说出量子力学意味着什么 （这本书讲的就是这个） 真正的量子理论看起来可能是什么样的？本书的目标就是对如今人们在这个问题上的最佳猜测做一介绍——假如真正的量子理论存在的话。看起来，在关于世界的深层构造方面，这个理论很可能会动摇我们一直视为理所当然的大部分乃至全部内容。这个世界远比我们以前想象的更陌生，也更充满挑战。在这里，不仅有各种不同的物理学规则在施用，我们也被迫重新思索物理世界究竟意味着什么，以及在尝试探索它时，我们认为自己在做什么。 在讨论这些新观点时，我希望强调两点，这两点都是从这场探索量子力学基础的“现代文艺复兴” ——一个恰如其分的措辞—中演生 (emerge）出来的。 其一，人们频繁提起的量子物理学的“怪”，并不是量子世界本身的怪异性，而是来自我们在尝试用图像或故事来呈现它的时候带来的扭曲（这很可理解）。量子物理学确实违反直觉，但称其为“怪”，也有失公平。 其二，也是更糟的一点，“怪”这个词在关于量子力学的科普甚至专业表述中如此招摇过市，却并没能帮助我们表达量子力学真正的革命性，反而掩盖了它。 某种意义上，量子力学一点儿都不难。它令人困惑、令人惊讶，现在也确实在认知上无法参透。但这并不意味着它像维修汽车或者学习冷门外语一样难（在这两件事上我都有痛苦的经历）。很多科学家认为这一理论很容易接受、掌握并应用。 与其强调它有多难，我们更应该把它看作一个对我们想象力的挑战，它令人着迷、令人疯狂，甚至令人发笑。 它挑战的确实是我们的想象力。我猜想，在更宽泛的文化语境下，我们已经开始欣赏量子力学拓展的想象力空间了。艺术家、作家、诗人和剧作家都开始吸收并运用量子物理学的思想，如汤姆·斯托帕德的《霍普古德》、迈克尔·弗雷恩的《哥本哈根》等戏剧，珍妮特·温特森的《越过时间的边界》和奥德丽·尼费尼格的《时间旅行者的妻子》。关于这些作者对这些科学思想理解是否准确、运用得是否得当，或许会有争论，但有这些关于量子力学的充满想象力的作品总是好的，因为很有可能只有足够宽广而自由的想象力才能帮我们阐释量子力学的意义。 毫无疑问，量子力学描述的世界违反我们的直觉，但“怪”并不是一个特别有用的说法，因为这个世界也是我们所在的世界。关于我们所熟悉的世界—物体拥有清晰定义的性质和位置，不依赖于我们的测量—是如何从量子世界中演生出来的，我们已经有了一个不错的描述，然而还不完整。换句话说，这种“经典”世界只是量子理论的一种特殊情况，而非与之截然不同的东西。非要说什么是“怪”的，那怪的只能是我们。 ? 说量子力学很怪，大概有以下几个最常见的理由。我们被告知，量子力学这么说 ： · 量子物体可以同时既是波又是粒子，这叫作“波粒二象性”。 · 量子物体可以同时处于不止一个“态”（ state）：比如说，它们可以同时既在这里，又在那里。这叫作“叠加态”。 · 你不能同时准确地知道同一个量子物体的两个性质，这是“海森堡不确定性原理”。 · 量子物体可以越过很长的距离相互影响，这就是所谓的“幽灵般的超距作用”，这种表现来自“量子纠缠”现象。 · 你去测量任何物体的时候都不可能不干扰到它，因此我们无法把人类观察者排除在量子理论之外 ：量子理论不可避免地带有主观性。 · 一切有可能发生的事情都会发生。如此宣称有两个理由，其一来自费曼等物理学家建立的（没有争议的）量子电动力学（ quantum electrodynamics），其二来自（充满争议的）量子力学的“多世界诠释”。 但以上这些，量子力学都没有讲过。实际上，关于“事物是怎样的”，量子力学什么都没说过，它只说了我们在进行特定的实验时可以抱有怎样的预期。以上所有这些宣称，都只是基于量子理论的“诠释”。在本书中，我将探索这些诠释在多大程度上是好的（并就“诠释”可能意味着什么，努力让读者至少有一丝丝体会） —但我现在就可以说，上述的所有诠释都称不上特别好，有些甚至有很大的误导性。 问题是我们能否做得更好。不管答案如何，如今的我们在量子力学的诠释方面接收到的信息都太狭隘而陈腐了。流俗的种种图像、比喻和“解释”不仅已是陈词滥调，而且还可能掩盖量子力学违反我们期望的深刻程度。这种情况也很可理解。不借助故事，我们几乎根本无法讨论量子理论；我们须用比喻，让自己牢牢站在这片湿滑的地面上。但我们太过经常地错把这类故事和比喻当成事情本身了。我们之所以能表达出这些故事和比喻，是因为它们有日常特色作为其缓冲 ：量子规则被硬塞进了我们日常世界中熟悉的概念—但恰恰是这些日常概念，到了量子环境下就不再适用了。 19 我们有可能得到最终答案吗？ 约翰·惠勒的梦想是我们最终找到量子力学的深层定律，并能以人人能懂的语言表达出来，这个梦想的实现并非不可能。但如果最终做不到这一点，或许并不是因为我们无法找出这些定律本身是什么。真相可能更为有趣，也更令人不安。 人们说量子力学很“怪”，或者说没人真正理解量子力学时，好像营造出了一个这样的形象 ：一个古怪的人，他的行为和动机都无法用常理来解释。但这种类比未免流于表面了。量子力学违反的与其说是我们的理解甚至直觉，不如说是我们的逻辑感觉本身。当然，我们很难用直觉来搞明白一个物体同时沿两条路径运动，或者其属性有一部分位于该物体之外的另一个地方，等等，都是什么意思。但这些描述只是尝试用日常语言来表达一种超越语言描述能力的事态而已。我们的语言是用来反映我们所熟悉的逻辑的，但这套逻辑在量子力学身上并不适用。 我相信，我们有能力，并且最终将会为量子力学找到更好的基本公理，而且我相信这些公理会关乎世界上的信息如何存在，以及如何被发现。但这些公理若以常规方式理解，很可能没有“意义”。为了掌握完整的图景，我们需要接受看似相互矛盾的事物。这就是玻尔提出互补性的用意所在，虽然“互补性”这一说法过于模糊而有误导性，无法表达全部的真相。量子力学违反了我们关于事情是否有可能发生的感觉，这种情况恐怕会一直存在，哪怕未来我们发现了某种更深层的理论，而量子力学只是对它的一种近似而已。 我们也可以这么问 ：基于逻辑建立的事实，和基于实验观察建立的事实，两者相比，哪个更为基本？量子力学的所有看似奇怪之处，都来自这两个选项之间的矛盾。 ★匡正你对量子力学的误解 “薛定谔的猫”是说一只猫可以同时既死又活？不，它其实是在形象地指出量子理论的问题——但事情还没完，这方面的问题，也可以获得打通微观和宏观世界的解释……同样，“不确定性原理”也不是在说我们无法准确测量量子世界中的所有量甚至任何量——因为“所有量”并不同时存在！甚至，量子力学讨论的也不是最初意义上的“量子”……量子物理学家酷爱修辞术，这给大众带来了很多困难甚至误导。阅读本书，你可以了解到耳熟能详的量子表达，到底是何意义。 ★用尽量形象的办法，确实地讲量子力学 为什么观察发生在哪个“环节”很重要？Hmmmm，你可以想象往热水里加速溶咖啡，还是往速溶咖啡上加开水，结果并不完全相同……真·量子力学，可能有点难、有点“怪”；但如果你想了解各种量子理论如何解释世界，这些量子理论是在怎样的理论和时代背景下提出的，其本身又该如何解释，那么本书会用尽量好懂的方式，直陈这些问题，而不只是为你介绍相关物理学家的生平和逸事。 ★当物理学和哲学相遇 对量子世界的理解，不等于量子世界本身——充分认识到这一区别，才是迈出了正确的第一步，才能理解“波粒二象性”只是量子理论的内容，却未必（甚至很可能不）是“光”本身的情形。各种量子理论只是为了数学计算便利而设，纯乎是人类认知的产物？抑或它们也在追求接近、符合客观的量子世界本身？这些融合了当代物理和哲学认识论、本体论的交叉讨论，彰显了现代科学思维的融贯性和脑力激荡特色。