從頭梳理一遍什麼是量子力學？

量子力學是一個特別反常識的學問，但並非完全不可理解。只要你稍微理解一點量子力學，就會拍案叫絕。如果你理解的足夠多，就可能陷進去。如果你理解的再多一點，搞不好就想把青春獻給物理學。

溫伯格講了一個困擾物理學家已久的問題。這個問題實在太過重大，可以說足以影響每個人的世界觀。理解這個問題不需要什麼高深概念，讓我來給你解說一番。

1.常識中的「不確定性」

現代人經常會談論「不確定性」、「概率」這些東西，但是你是否想過，這個世界真的是不確定的嗎？

你往空中拋一個蘋果，如果我精確知道蘋果的初始速度、空氣的阻力、引力的強度，我就可以精確計算蘋果的軌道，告訴你它會在什麼時候、在哪裡落地。完全都是確定的。

可是如果你拋的是一個硬幣，問我硬幣落地的時候哪一面朝上，我就只能說一個概率了。這並不是因為硬幣和蘋果有什麼本質的不同，而是因為影響硬幣落地的因素實在太多了 —— 初始速度、角度、旋轉度、地面的平整情況、空氣中氣流的變化等等。我對這些因素的了解和我的計算能力都是有限的，我就沒有辦法精確預測。

但是你考察那些左右硬幣運動的物理方程，它們都是確定性的。也就是說，如果有人能夠精確了解所有的因素，他在原則上就能精確預測硬幣的運動軌跡！硬幣事件，本質上仍然是確定性的事件。

在量子力學出現之前，物理學就是這樣的局面。所有物理方程都是確定的，那麼如果你精確知道宇宙中每一個粒子的初始條件，你在原則上就完全可以預測整個宇宙後續的演化，一切都是確定的 —— 這就是所謂「機械宇宙」。

今天我們說的天氣、股市、地震這些所謂「不確定事件」，在機械宇宙里也都有，我們說不確定只不過是因為我們的計算能力有限。機械宇宙里沒有真正的不確定事件，一切都已經註定了。

這個世界觀有點令人沮喪 —— 我們的大腦也受物理定律支配，所以你未來想什麼，也是註定了的 —— 但這是一個和諧自洽的世界觀。

這就是為什麼量子力學一出來，物理學家就懵了。

2.既在這裡，又在那裡

下面這個實驗叫「雙縫實驗」。把一束光從兩個縫隙中傳過去，兩個縫隙的光束就會形成干涉，在後面的屏幕上形成干涉條紋。

這是因為光是有波動性的，就好像水波一樣，如下圖：

可是量子力學一出來，我們知道，光同時也是粒子 —— 也就是「光子」。物理學家原則上可以把光子 —— 或者電子、或者別的什麼粒子 —— 一個一個地發射到那塊有雙縫的隔板上去。你猜會發生什麼？

即使你每次只發射一個光子，後面屏幕上也會出現干涉條紋圖案！這非常奇怪，因為干涉條紋，是兩個縫隙之中同時發出的光互相干涉的產物。現在你每次只打一個光子，它跟誰干涉呢？

答案是這個光子自己和自己干涉 —— 也就是說，這一個光子，同時通過了兩個縫隙！用電子或者別的粒子做這個實驗，結果也是如此。

這就是量子力學。一個粒子，可以「既走了左邊的縫，又走了右邊的縫」 —— 「既在這裡，又在那裡」！

再舉個例子。物理學有個概念叫「自旋」，你大概可以理解成一個粒子的自轉。任意選定一個方向，比如說北方，那麼對一個電子來說，它有兩種自旋 —— 對著北方，如果這個旋轉是順時針的話，我們就說它自旋是正，如果是逆時針的話，我們就說他的自旋是負。

你不用關心自旋的精確定義是什麼，只要知道電子在任意方向都有正、負兩種可能的自旋。

好了。現在假設這裡有一個電子，在我觀測它之前，你問我一個問題：這個電子的自旋是正的還是負的？

如果咱們說的是一個撞球，我的答案就應該是它「或者是正的，或者是負的」。可是對電子來說，我的答案就必須是它「既是正的，又是負的」。

這就和前面雙縫實驗中，「既走了左邊的縫，又走了右邊的縫」，是一樣的道理。

一個沒有被觀測的電子，其實是兩種自旋狀態的「疊加」，這就是「量子疊加態」。物理學家用「波函數」描寫這個疊加態。

這個「既是……又是……」的概念可能已經讓你震驚了。這其實是個觀念問題。日常生活中一個人不可能同時從左右兩個門中穿過，還自己撞到了自己，但那只是我們的日常經驗。微觀世界的情況跟宏觀世界非常不同，只要你能接受這個觀念，就不至於睡不好覺。

基本粒子不是撞球。只要你不觀測它，它就可以「即是這樣，又是那樣」。

讓物理學家至今都睡不好覺的，是「觀測」。

3.真正的「不確定性」

回到雙縫實驗。假設我就是想知道光子到底是從哪個縫中穿過去的，於是我就在其中一個縫的外面安裝了探測器，只要光子一過，我就知道。

結果我發現干涉條紋消失了！屏幕上的圖案跟你用撞球打出來的一樣——

一觀測，光子就從「既走了左邊的縫，又走了右邊的縫」變成了「或者走了左邊的縫，或者走了右邊的縫」！

也就是說觀測會破壞量子疊加態。用物理學家的話說，這叫「波函數塌縮」。

同樣道理，如果你「觀測」一個電子在某個方向上的自旋，你得到的結果就「或者是正的，或者是負的」。

而你具體會得到「正」還是「負」的哪個結果，這就是一個真正的「不確定性」事件！

沒有任何辦法能事先預測你的觀測結果。電子的波函數到底往正、負哪個結果塌縮，不受任何外界因素影響 —— 你可以說那是電子的「自由意志」。

物理學家可以用電子的波函數精確預測你獲得每個結果的概率大小是多少，但是面對一次單獨的觀測，從理論上講就沒有任何辦法可以預測結果。

正因為量子力學有這個性質，我們才真正生活在一個不確定的世界。機械宇宙觀過時了，萬事萬物不是註定的，天神來了也無法預測未來。

好了，現在溫伯格的問題就是，描寫波函數演化的方程是「薛定諤方程」，而薛定諤方程其實是一個確定性的方程，裡面根本沒有概率 —— 那麼觀測結果的這個「本質的不確定性」，是從哪裡來的呢？

4.人的意識和多重宇宙

只有到觀測的時候，才出現不確定性。物理學家對此細思恐極 —— 只有當有人參與的時候，才出現不確定性！

溫伯格總結了目前的兩種看法，一種叫 工具主義者，一種叫 真實主義者。

工具主義者認為，量子力學方程只是一個工具，它能幫你計算觀測結果的概率是多少，這就足夠了。我們根本不應該把量子力學當成對真實世界的解釋，量子力學只管到波函數塌縮之前，波函數到底怎麼塌縮，不受量子力學控制。

這就等於說，人，不受量子力學控制。想要解釋實驗結果，光有薛定諤方程還不夠，必須把人的意識也加進來才行。有個量子物理學的先驅人物叫尤金·維格納，他就說，如果你不考慮人的意識的話，你就沒有辦法得到一套自洽的量子力學理論。

但我們同時知道，量子力學能夠非常精準地描述微觀世界的一切自然現象。那麼這就等於說，人，成了一個在自然界物理定律之外的東西。

這個解釋你能接受嗎？達爾文以來人類最大的教訓就是人只不過就是一堆基本粒子的排列組合，難道現在人又變特殊了嗎？

但是真實主義者的觀點更聳人聽聞。真實主義者認為量子力學描寫的就是真實世界，既包括電子，也包括人。那麼不確定性從哪裡來呢？其實根本就沒有什麼不確定性 —— 每次觀測的時候，正自旋和負自旋，實際上都發生了！只不過是在平行世界裡發生。

在這個宇宙里的你，觀測到了一個正自旋。而在另外一個平行世界裡，還有另外一個你，觀測到的是一個負自旋。你以為是概率，其實你是不知道另一個你的存在。宇宙每時每刻都在發生分叉，每條岔道上都有一個你，誰也不比誰特殊。

這個平行世界解釋是1957年普林斯頓大學的一個博士生的博士論文，後來成了一系列科幻小說的素材。一般物理學家、包括溫伯格在內都不太贊成這個理論。每時每刻都分裂出去一個新宇宙？至於嗎？而且真實主義者的解釋還有別的技術問題，這裡就不多說了。

這兩派觀點，溫伯格都不滿意。其實你不較真的話，量子力學是個特別好的理論，跟實驗結果高度吻合，可以說是最成功的物理理論。那何必還較這個真呢？溫伯格說，既然量子力學有這個困境，也許我們可以探索一個比量子力學更好的新理論。

實驗不太可能給新理論提供什麼靈感，畢竟量子力學太准了。溫伯格暢想，我們大概只能先從邏輯上推測這個新理論。溫伯格講了他的思路，技術性比較強，我們就不說了。

溫伯格希望將來有了這個新理論之後，也許新理論和現有的量子力學理論之間存在一個微小的差異，也許我們在特別精確的實驗中能測出來這個微小的差異，這樣的話，新理論就有它的價值。

說破一句

物理學家都喜歡新理論，而且還希望能獲得一些實質性的不一樣的結果。但實際上，量子力學已經足夠精確，根本沒有什麼解釋不了的實驗結果等著新理論。

我現在已經不是物理學家了，所以我就把話說穿了吧 —— 現有量子理論的困境，暗示了一個特別大的哲學問題。新理論的根本任務是解釋這個哲學問題。

物理學家都不願意談哲學，但哲學最需要的思維工具就是物理學。

咱們把「平行世界」那一套的說法都暫時放在一邊，單論「工具主義者」這派的思想，也就是現有量子理論管不了人的意識。如果這是真的，那事情可就太大了。

量子力學完全可以解釋計算機。如果只有人的觀測能帶來真正的不確定性，如果量子力學解釋不了意識，那我們就可以說 ——

從物理學的角度講，人可能 —— 再次強調，僅僅是可能 —— 不是計算機。

意識就可能是有用的。自由意志就可能是存在的。那就算到了人工智慧時代，機器再怎麼厲害，人永遠都有價值。

這就是為什麼現在有很多人，包括一些物理學家在內，試圖藉助量子力學研究人的意識。

最後強調一句，這套說法很容易被濫用，也許某些玄學家會藉此去胡亂解釋一些他喜歡的東西。而他們的解釋很可能都是胡說八道。

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