《上帝擲骰子嗎？量子物理史話》概覽——愛因斯坦與波爾大戰，宇宙究竟是什麼樣的？

最新 06-29

前述提要

波粒二象性終於被波爾提出了，在「測量行為創造整個世界」的號召下，哥本哈根學派無人可檔。

可愛因斯坦就是不喜歡這種宇宙。

一、波爾、愛因斯坦大戰

1927年，波爾在義大利北部的科莫會議上發表了他名為《量子公設和原子論的最近發展》，在會上，波爾第一次描述了波-粒二象性，用互補原理詳盡地闡明了我們對待原子尺度世界的態度，他強調，完全獨立和絕對的測量是不存在的。

對於曾經歷過初中物理洗腦的人，或者已經讀完前幾節的你們而言；波-粒二象性並不奇特，它有跡可循，毫無意外。

可對於當時非哥本哈根派的人（哥本哈根學派：比如波爾、海森堡、波恩、泡利這些人，注意，沒有薛定諤），如愛因斯坦，認為這種互補原理只是一種文字遊戲，只不過是將2種想法強行湊合在一起的產物。

愛因斯坦認為，沒有嚴格因果律定義的物理世界是不可想像的，物理規律應該統治一切，簡單明朗：A導致了B，B導致了C，C導致了D。環環相扣，每一個事件都有來龍去脈，原因結果，而不依賴什麼「隨機性」。至於拋棄客觀實在，更是不可思議。

愛因斯坦堅信，量子理論一定有嚴重的問題，基礎大有毛病，從中必能挑出刺來。

雖然在科莫會議上未能碰面（愛因斯坦當時有事耽擱了沒去），但相比當波爾與愛因斯坦碰面時，必然有所一戰吧。

（必須要說明的一點是，現代量子力學的發展，無疑是希望解決量子力學中的種種矛盾現象而前進的，畢竟物理現象的背後必有原因。在波爾的時代，實驗環境的因素，迫使互補原理的出現從而使物理學繼續前進（這就和考卷上被一道題攔住了，跳過它去完成下一道一樣），當然為了解決常規時空觀下看似矛盾的事實，發展出了很多奇異的世界觀，這些我們接下來會說到。）

1927年10月，物理學的奧林匹克盛宴：第五屆索爾維會議在布魯塞爾召開。（科莫會議後幾個月，順便稱為索爾維會議，是因為第一屆的投資人和舉辦者叫索爾維。）

這屆會議予會人數和地位空前絕後，當時的物理學大師紛紛到場，留下的參會合影被稱為「物理學全明星夢之隊」。

第一排：歐文·朗繆爾、馬克斯·普朗克、瑪麗·居里、亨德里克·洛倫茲、阿爾伯特·愛因斯坦、保羅·朗之萬、Ch.E.Guye、C.T.R.威爾遜、O.W.里查森

第二排：彼得·德拜、馬丁·努森、威廉·勞倫斯·布拉格、HendrikAnthonyKramers、保羅·狄拉克、亞瑟·康普頓、路易·德布羅意、馬克斯·波恩、尼爾斯·波爾

第三排：奧古斯特·皮卡爾德、E.Henriot、保羅·埃倫費斯特、Ed.Herzen、ThéophiledeDonder、埃爾溫·薛定諤、E.Verschaffelt、沃爾夫岡·泡利、沃納·海森堡、R.H.福勒、里昂·布里淵

波爾和愛因斯坦毫無疑問也在其中，或者說，會議主要是圍繞著他們思想上激烈的攻防展開的。

會議召開後，各路大神先將當時物理學中的理論分別演講，理清了其中脈絡。愛因斯坦最開始按兵不動，但當波爾提到他都名字後，愛因斯坦就開始出擊了。

愛因斯坦提出，電子小孔衍射的模型，目前有兩種解釋的方法：

I、電子是電子云，是空間中的一種實在，符合德布羅意-薛定諤波描述；

II、電子是一個粒子，而ψ就是它的「幾率分布」，電子本身不擴散到空中，而是它的幾率波在起作用。

（電子衍射圖像）

愛因斯坦說，雖然觀點 II 包含觀點 I，更加完備，但是，觀念 II 的說法似乎預示著一種看法——但電子穿過小孔後，感應屏上但許多區域需要同時對電子的觀測作出反應，這似乎暗示了一種超距作用，從而違背相對論。

當然，波爾本人是不支持這種看法的。

戰鬥由此拉開序幕。

據海森堡回憶，當時每天的主要流程是這樣：

早餐：愛因斯坦描述一個思維實驗，認為從中可以看出波爾理論內部的錯誤。

去會場途中：波爾和愛因斯坦討論一路。

會議間隔：其它物理學家就思維實驗相互探討。

午餐：波爾和哥本哈根學派內部討論。

晚餐：波爾分析思維實驗給愛因斯坦聽。

當然，雖然愛因斯坦對波爾的分析提不出反駁意見，但心裡是不服氣的。於是第二天的流程照舊。

（波爾和愛因斯坦 1927年索爾維會議期間）

1927年的這場大戰，終究愛因斯坦輸了一招，但並這並不是結束。八年後，雖然哥本哈根學派已經成為物理學的主流，但愛因斯坦並未放棄。1935年，愛因斯坦和他的兩個同事波多爾斯基和羅森一同在《物理評論》上發表了一篇論文，名字叫《量子力學對物理實在的描述可能是完備對嗎？》，讓這場持續了近10年的鬥爭進入了尾聲。

我們用一個稍稍簡化了的實驗來描述他們的主要論據。

我們先想像一個大粒子，它本身的自旋為0。但它是不穩定的，很快就會衰變成兩個小粒子，向相反的兩個方向飛開去。我們假設這兩個粒子有兩種可能的自旋，分別叫「左」和「右」（通常描述為上和下，但現在為了便於想像，我們假設為左和右），那麼如果粒子A的自旋為「左」， B的自旋便一定是「右」，以保持總體守恆，反之亦然。

（對於粒子自旋的描述，可以簡單認為由於電子帶電，繞原子核運行時就會產生一個微小電磁鉅，這會導致原子本身在磁場中發生偏轉。通過將原子束通過非均勻磁場的實驗，可以發現原子被磁場分割成為2束，並分別向上下偏轉（磁場的N、S極分別在上下放置），這時候，我們說，向上偏轉的原子里，所有電子都是「上旋」。同樣的，向下偏轉的原子里，所有的偏轉都是「下旋」）

好的，現在大粒子分裂里，兩個小粒子相對飛了出去。但是要記住，根據哥本哈根學派的解釋，只要我們不去觀測它們，它們的狀態就是不確定的，只有一個波函數可以描述它們，這時每個小粒子的自旋都處於一種左/右可能性的疊加混合狀態，為了方便我們假定概率對半分，各50%。

現在，我們可以觀察粒子A了，於是它的波函數一瞬間坍塌了，隨機地選擇了一種狀態，比如說是「左」旋。我們知道兩個粒子總體要守恆，那麼粒子B現在肯定是「右」旋了。

問題是，如果在我們觀察粒子A之前，粒子A、B間的距離已經非常遙遠了，比如說好幾萬光年。那麼它們之間怎樣能做到及時相互通信，使得粒子A坍縮成「左」的一剎那，粒子B肯定坍縮成「右」呢？難道有一個超過光速的信號來回於它們之間？

愛因斯坦等人認為，既然不可能有超過光速的信號傳播，那麼說粒子A和B在觀測前是「不確定的幽靈」顯然是難以自圓其說的。唯一的可能是兩個粒子從分離的一剎那開始，其狀態已經客觀地確定了，後來人們的觀測不過是得到了這種狀態的信息而已，就像經典因果律世界中所描繪的那樣。

而這個經典問題（作為波爾和愛因斯坦大戰的結局），被冠以三位發起者的首字母，稱為「EPR佯謬」。

可以想到波爾在看到這篇論文後的想法，必然是大吃一驚，不過，他很快發現了其中的破綻。

原來在愛因斯坦的想法中，無論是粒子、自旋，或者分離的動作，都是實際存在的「實體」。可是在波爾眼中，觀測之前，並沒有什麼粒子、也沒有什麼粒子自旋，因為你沒有定義觀測方式，這個時候談論自旋的粒子是無意義的，它根本不是物理實在的一部分，這不能用經典物理語言來表達，只有波函數可以描述。所以，在觀察之前，兩個粒子——無論相隔多遠都好——仍然是一個互相關聯的整體！直到觀察以前，這兩個獨立的粒子不存在，更談不上客觀的自旋狀態。

這才是波爾與愛因斯坦想法的根本衝突，波爾認為，在確定觀測方法之前，不存在一個客觀獨立的世界。而愛因斯坦認為，無論是否觀測，宇宙都是客觀實在的。

直至去世，波爾和愛因斯坦相互間都沒有說服對方，可雙方遺留下的爭論卻流傳到了現代，在1969年、1982年、1990年、2001年分別用實驗對EPR佯謬進行了驗證——恭喜波爾先生，愛因斯坦失敗了，A、B粒子間鬼魅般的超距作用被實驗證明了。世界就是這樣詭異，按照哥本哈根學派的說法——沒有觀測，就沒有世界！

（據說第一次實驗是想證明愛因斯坦是正確的，結果……）

（對EPR的驗證，促進了量子通訊的發展，沒錯，這就是量子糾纏效應，還記得我們發射的墨子號衛星嗎？）

（如前文所說，互補原理雖然解決了一段時期內的難題，但愛因斯坦的想法終究不會過時，因為物理學界就是這樣充斥著尋求背後真相的人）

二、虐貓狂人薛定諤

ERP出台的時候，薛定諤大為高興，稱讚愛因斯坦「抓住了量子力學的小辮子」。受此啟發，發表了一篇會成為喵星人永久噩夢的論文，題為《量子力學的現狀》。

在論文第5節中描述的這個噩夢般的實驗，這個會成為所有喵星人夢魘的實驗，就是著名的：薛定諤貓箱實驗。

大致的實驗內容就是說：由於哥本哈根學派說，在沒有測量之前，一個粒子的狀態模糊不清，處於各種可能性的混合疊加中，對吧。也就是說，一個放射性的粒子，何時會衰變是完全概率性的。只要沒有觀測，它便處於衰變/不衰變的疊加狀態中，只有確實測量了，才會隨機選擇一個狀態。

那麼將這個原子放在一個不透明的箱子中讓它保持這種疊加狀態。然後放入一個精巧的裝置，每當原子衰變釋放出一個中子，它就激發一連串連鎖反應，最終結果是打破箱子里的一個毒氣瓶。而同時在這個箱子里還有一隻可憐的貓。事情就很明顯了：

原子衰變——打破毒氣瓶——貓死

原子不衰變——毒氣瓶完好——貓活

由於它們都鎖在一個不透明的箱子裡面，自然，在我們不去觀測的情況下，原子就處於衰變/不衰變的疊加狀態，自然毒氣瓶也處於不確定的狀態，那麼貓——

是的，貓也處於活著/死去的疊加狀態。

換言之，之所以薛定諤的虐貓實驗（雖然只是一個思維實驗）這樣出名，正是因為薛定諤將發生在量子尺度的概率論放大到了現實的日常生活中，讓人不禁假象到：

當我們關上衣櫥，鎖上抽屜，合起箱子時，裡面的物體是不是也變成了一種詭異的量子混合狀態？裡面會出現怪物王國的大門、貓型機器人的時光機或者寶石翁的秘寶嗎？這可真是令人遐想啊。

（怪物電力公司、機器貓、fate/hollow ataraxia）

霍金曾經說過：「當我聽說薛定諤的貓的時候，我就跑去拿槍。」可見沒人喜歡這個詭異的實驗結果。

讓我們擴大一下實驗規模，假如，我是說，假如我們將一個人放入箱中呢，當他最後從箱子里出來後，會告訴我們，他曾經處於一種半生半死的狀態嗎？想必是不會吧，我想，他一定堅持自己好好的活著。因為我們居然把一個觀測者放在了箱子里。

可是，為何貓就不能成為觀測者呢？我們和貓有什麼區別？是因為我們擁有意識嗎？

或者，我們用攝像機遠程拍攝、用機器人打開箱子會觀測到不一樣結果？機器人會導致波函數坍塌嗎？

馮諾依曼曾經提出過一個理論：當我們不去觀測一台測試設備時，測試設備就處於同時顯示2種（比如顯示衰變/不衰變的結果）設備觀測結果的狀態。於是這個理論的結果就是，無論我們與觀測對象中間間隔了多少設備/機器/機關，只要我們不去觀測最終的顯示結果，那麼整個系統就同時處於一種「疊加態」。只有當我們參與時，結果才會坍塌出現，才會成為現實。

哈，難道我們要回到黑暗的中世紀，認為人類是世界的中心，而這個世界是一個純粹唯心的世界嗎？難道我閉上眼睛，世界就不存在了嗎？（經常有科幻小說出現這種情節，沒錯，科幻小說）

或者說，在我出生前，世界是不存在的嗎？

對於這方面研究更甚的實驗，無疑是約翰·惠勒那著名的「延遲實驗」了。

惠勒的延遲實驗，主要是利用光的干涉效應和半反射鏡，創造了一個光子可以與自身進行干涉的條件——當一個光子通過半鍍銀的反射鏡時，有一半的可能性通過反射鏡、一半可能被反射，通過這一個量子隨機過程，我們就可以將一個光子的路徑分為2條，隨後再通過全反射鏡，光子的2條光路平行，最後，我們在用另一塊全反射鏡使光子產生自我干涉，根據量子派的說法，因為發生了干涉，此時光子必然同時沿著兩條路徑而來，就和同時通過了雙縫一樣！

換言之，如果我們不在終點處插入半反射鏡，光子就沿著某一條道，反之它就同時經過兩條道路。現在都問題是，插不插入最後的反射鏡，可以在光子實際通過了第一塊反射鏡，已經快要到達終點時才決定。即：我們可以在事件發生後再決定它應該怎樣發生！

（仔細的想想這個實驗與ERP實驗的哥本哈根解釋很象，不過這個實驗更加直觀和不可思議）

這樣有趣的延遲實驗毫無疑問的在後續被人驗證過了，結果就是——惠勒的想法居然是正確的，實驗正如預想中那樣沒錯，這個宇宙真是太瘋狂了。

這無異讓人想到一種令人發狂的宇宙幻象——宇宙如此適宜人類生存，是祂因為需要一個觀測宇宙的人，使用延遲實驗的方式讓宇宙誕生嗎？

是我們選擇了宇宙，宇宙又創造了我們嗎？

（宇宙誕生我們的目的是為了讓我們觀測宇宙使宇宙誕生嗎？）

三、平行宇宙

有沒有一種辦法讓我們擺脫這令人發狂，陷入哲學深淵的觀測者創造宇宙的說法呢？

那當然是更瘋狂的說法：

比如說，觀測從來沒有導致波函數坍塌，實際上觀測後的電子仍處於左/右疊加的狀態，只不過，我們的世界本身也是這疊加的一部分，換言之，當電子經過雙縫後，出現了兩個疊加在一起的世界，在其中的一個世界中，電子穿過了左邊的狹縫，另一個世界，電子穿過了右邊的狹縫。

波函數無須「坍塌「，去隨機選擇左還是右，事實上兩種可能都發生了，只是發生在不同的世界中，電子選擇狹縫的過程，導致了世界變成了兩個，這就是平行宇宙理論。（多世界解釋，簡稱MWI。）

平行宇宙可以說是各類科幻電影、遊戲、電視劇中出現的頻率最高的時髦辭彙之一了（像是之前推薦過的美劇Fringe，花費2個季度的時間，描述了3個平行宇宙間的相互鬥爭），很有趣且有名的一種說法就是：每當你做出一個選擇，都會產生一個平行宇宙。

（每次選擇誕生一個新宇宙）

有一些關於平行宇宙的說法是，當你在體驗極限運動時，每一次的化險為夷，實際上都有一個平行宇宙的自己掛掉。又或者會出現類似「量子自殺」或者「量子永生」這種詭異的場景。（每當你面對危險時，都會有一個平行宇宙的你代替你死去，就主觀意識而言，你必然是此次化險為夷，甚至達到永生。（如果將老死也當成危險）當然，平行宇宙中你的親人好友如何傷心你是察覺不到的，所以為自己平行世界的親人著想，沒事還是不要去作死了。）

不過，正統的平行世界解釋並不是這樣看待宇宙的，MWI實際認為，宇宙始終只有一個，使用一個整體波函數表述，嚴格而連續的按照薛定諤方程演化，各種「世界」都是這個波函數下的特定解投影。波函數隨著時間流逝變化，投影的世界越來越多，方程的解也愈來愈多，因此一切可能發生的事情，都在某個「世界」發生了。

而且，對於不同宇宙中無法相互觀測的事實，MWI也提供了一種基於希爾伯特空間（數學上的高維度空間，每一個維度代表一個變數）的解釋，證明當觀測光子穿越狹縫的事件發生時，環境相互糾纏導致原先可以相互影響的2個世界（光的自干涉）之間產生了大量的其它影響因素，從而使相互觀測的概率急劇下降，近乎於零。而這，就是宇宙的退相干解釋。

現在，宇宙不依靠觀測者也能存活了（因為它本身就包含了所有可能性），而可憐的貓也不用在箱中既死又活了，它可以自然的存在於兩個世界中，嗯，雖然一隻死，一隻活。

宇宙又回到了經典決定論的懷抱中，宇宙所有的事物都可以被物理法則推演，拉普拉斯的妖精又能登上歷史舞台了，命運，又降臨在宇宙之上，不過，想必愛因斯坦會很欣慰了。

四、退相干歷史宇宙

（對於隱變數宇宙和系統綜述宇宙還有GRW之類的宇宙模型，既然歷史已經證明它們是錯誤的，就別去管了吧……，雖然可能有人不同意啦）

（圖片引自悖悖論）

量子理論中，另一個重要的宇宙模型，就是退相干歷史宇宙。

我們知道MWI模型中，宇宙在薛定諤方程的演化過程中被投影到多個「世界」中，在每個世界中產生不同的結果。

也就是說，歷史只有一個，但世界有很多個。

而1984年到1991年，格里菲斯、哈特爾、蓋爾曼所發表的一系列論文，揭示了一個新的看法，這就是退相干歷史（DH）宇宙。

DH理論中，是採取了1942年物理學家費因曼提出的一種量子計算方法，這就是，使用「路徑積分」的辦法計算宇宙歷史。（也就是可能存在的宇宙歷史，DH理論的想法是，只有一個宇宙，但是有無窮個歷史）

「路徑積分」的意義是，不去考慮粒子從A到B的旅途中，會去到那些地方，而是所有可能的路徑都考慮進去後，將相反的路徑視為干涉抵消掉。（列如左右完全對稱的兩條路徑就可以相互抵消，視為不存在。）

（費因曼的方法與費因曼路徑積分圖（超有用）實際上與海森堡矩陣力學、薛定諤波動力學是等價的，他本人因此獲得了1965年的諾貝爾獎。）

（費因曼路徑積分圖）

DH理論採用同樣的方法處理歷史，比如在對待可憐的薛定諤貓時，雖然貓在箱中的狀態還是處於既死又活的狀態，但一旦打開箱子，與環境作用後，所有存在的歷史（包括貓死、貓活、貓不死不活、構成貓的1027個粒子（喵，好扎心））都會發生歷史上的退相干現象，最終只有一個會真正的發生，而另一個，比方說如果貓還活著，那麼「貓死」這個分支就從歷史樹上被排除了，由於這個分支不會再對我們的宇宙起任何作用，我們不妨說，這些歷史已不存在宇宙中。

有趣的是，現在的科幻電影通常會把平行宇宙和退相干歷史的概念結合起來使用。（著名的遊戲石頭門（Steins;Gate）中既提到了世界線（平行宇宙），也提到了世界線的收束法則（也許參考了DH理論？），可以說兩種概念結合起來的確很有趣。順便「Steins;Gate」也有動畫版，劇情超級贊哦，而且還黑了歐洲核子對撞中心一把）

五、終極理論

讓我們先停下對宇宙模型的探索，回到對量子論的探索吧。

在上一個章節中，根據不確定原理，可得出結論：真空實際上並不是真空的，也提到過充滿負能量的狄拉克之海。實際上除這些結論外，人們還漸漸認識到——所有的粒子都是瀰漫在空間中的某種場，這些場有著不同的能量形態，而當能量最低時，這就是我們通常說的「真空」。所以，真空其實不過是粒子的一種不同形態（基態），任何粒子都可以從中被創造出來，也可以相互湮滅。（時間越短，能量起伏越大，還記得嗎？也不要忘了E=mc2）

在這些量子場論的研究中，最為著名的理論，即我們所說的「量子電動力學（QED）」，其理論預測值甚至可以與實驗值符合到小數點之後第11位。恆古以來，沒有哪個理論能做到這一點。

現在，量子論已經逐漸深入到物理的方方面面，已是佔據半壁江山，但是仍有一個前所未有的強大對手，也就是最後的終極挑戰——愛因斯坦的廣義相對論。

首先我們要知道，自然界中存在4種基本力，分別是電磁力、強相互作用力、弱相互作用力、引力。

是的，我知道，作為基本力，4種可是有點太多了，所以現代物理學家的主要工作，就是給出能將4種力合為1股的理論。

我們首先來看看，除開引力外的3種基本自然力該如何合體吧。

量子電動力學（QED，電磁力和狹義相對論的結合物）認為，電磁力的本質，就是兩個粒子間不斷交換光子的結果。

那麼，強作用力（約束中子、質子成為原子核的力，比電磁力強）和弱作用力（使不穩定原子進行衰變的力）是不是與電磁力具有同樣機制呢？

20世紀60年代，美國人格拉肖、溫伯格和巴基斯坦人薩拉姆成功地從理論上證明了弱作用力具有和電磁力相同的原理，這就是：「弱電統一理論」

而1954年，楊振寧和米爾斯通過將自發對稱破缺機制引入他們發現的規範場論中，將理論擴大為更大的單群，這就給了強力、弱力和電磁力統一的基礎。

這種可以將3種自然力統一起來的理論，被物理學家驕傲的稱為「大統一理論」（Grand Unified Theory，GUT），尤其是2013年，希格斯玻色子的發現，更是給這個理論注入了一劑強心針。

可是，引力呢？引力在哪兒？4種基本自然力，僅僅只統一了3種，居然敢號稱大統一理論？

六、萬物皆弦

我們知道，從古代的哲學，到現代的物理學家，都希望能找到一種可以描述世間萬物發展的理論。到了現在，我們找到了支撐世界的4種基本自然力，引力、電磁力、強作用力和弱作用力。然後，我們將電磁力、強作用力、弱作用力統一在GUT理論架構下。我們可以驕傲的說，只要再統一了引力，我們就掌握了上帝的權柄，理解了這個宇宙的一切，我們稱這個終極理論為：萬物理論（Theory of Everything，TOE）。