【基础科研】谈量子力学（一）

我一直以简明易懂为原则来写稿，毕竟我所谈的话题本身都已经是很复杂的现象，必须加以浓缩简化才能说得清楚。不过那些有关社会人群的事，一般读者至少还有直觉性的经验；量子力学则不衹是极为专业，而且极为反直觉（Counter-Intuitive），不是下过多年苦工的人不太可能真正瞭解它的精微细致之处，所以原本我没有计划要谈。不过昨天有读者要求，我又自忖一辈子所学的很多很杂，却不是教书的，没有弟子可传，自己的儿子对这些研究也基本没有兴趣，等我年老痴呆了，这些思想也将随脑力的衰退而湮没，似乎有点可惜，所以不自量力，在这里谈谈我对量子力学的理解。如果不是物理系出身的读者，请自由忽略，不必强读。

量子力学的核心是它的波动方程式，这是一个普通的微分方程，如何定量地求解是理工科出身的人都应该学过的。真正要懂量子力学的涵义，难点在于如何定性地将量子力学的计算与现实的观察联系起来。大家都知道量子波的平方代表着机率密度，如果反復做同一个实验，测量结果会成随机分布（但是量子力学不是掷骰子；掷骰子是古典的随机事件，量子现象除了所有的测量值都有可能出现之外，还有测量值之间的相干，参见下面的双缝实验）。但是粒子还是粒子，如果衹专注在一个粒子上，测量后就衹能有一个定值，那么与它对应的量子波必然也在测量过程中被改变而集中在这个定值上。量子力学的祖师们对这个现象的哲学解释有不同的理解；很不幸的，因为哲学解释不能由实验取决，最后胜出并主导后来教科书内容的是当时身份地位最高的Niels Bohr所鼓吹的量子波崩溃论（Wave Function Collapse）；因为Bohr是柯本哈根学派的宗师，所以也叫作柯本哈根解释（Copenhagen Interpretation）。它的逻辑漏洞不止困扰了后世无数的理工科学生，而且还衍生了所谓“New Age”的伪科学。

拿双缝实验为例子，一束粒子照射到开了两条平行缝隙的障碍上，会在其后的墻上產生一系列的干涉条纹。在这个例子里，粒子撞墻的位置，是“外界测量”的物理量。如果衹用一颗粒子，自然衹会有一个碰撞点，但是这个点出现的机率分布正是前面所説的干涉条纹。古典粒子即使是随机的，也衹会在两条平行缝隙后方各產生一个条纹。

量子波崩溃论说在受到“外界测量”后，量子波随之崩溃，这个崩溃的过程是立即而且不受波动方程式主导的。这个説法不但肆意强加了一个超越波动方程式的人工成分，而且连定义都无法自圆其説：什么算是外界？什么才算是测量？测量是否代表着心智？那么一切现象是否植根于唯心认知？一个很明显很简单的物理现象，一下子变成了绝对唯心论的根据，这在逻辑上实在牵扯得太远了。但是物理学者也是人，他们也有社会惯性，虽然正确的解读从一开始就有人明白，但还是一直拖到1980年代，高能物理界才缓慢地开始承认量子波崩溃论是不合逻辑也没有必要的。那时推动新的量子去相干（Quantum Decoherence）看法的，就包括在哈佛教量子场论的Sidney Coleman；他很得意地在他的办公室解释给我听时，当时很年轻的我不识相地说这是理所当然的，他也就理所当然地不高兴。

量子去相干论说没有所谓的外界，测量仪器和被测量的粒子都属于同一个整体的量子波（其实整个宇宙都在同一个量子波里），仪器与粒子间的作用在于打破不同测量值之间的相干关系（事实上可以説，所谓的测量仪器，本身就是专门设计来打破不同测量值之间的相干关系的机制），这一般是靠仪器所含的极大数量的凝态原子来吸走被测量的粒子的量子不确定性，其结果是粒子表现得如同一个古典的骰子。但是整个过程中量子波的变化在时间上是连续的，始终遵守着波动方程式，衹不过在粒子与仪器碰撞后，它的量子波的尖峰有了明显的分离。以薛定格的猫（Schrodinger's Cat）为例，当我们打开箱子时，猫的量子波并没有崩溃，衹不过是在开箱之前已经分离为生与死的两个尖峰。而且由于猫和毒气机制所含的原子很多，又是在凝态，这个分离早在箱子里的量子纠结粒子接触到毒气机制以决定是否触发毒气的时候就已发生。如同所有古典的随机事件一样，现实必须择一发生。柯本哈根解释中又是生又是死的猫就从来不存在；不论箱子外面有没有观察者，它始终衹能或是生或是死。

很不幸的，等到物理界把量子去相干搞清楚时，已经是超弦即将席卷高能物理的前夕，所以更进一步的解释就走上了歧路。