波函數(shù)坍縮屬于正統(tǒng)的哥本哈根解釋，但它歷來是科學(xué)家們爭論的焦點，因為它實在是令人難以理解。沒有證據(jù)表明波函數(shù)坍縮是一種實在的物理過程，這只是人為引入的一種解釋實驗現(xiàn)象的手段：一個量子系統(tǒng)在測量之前處于各種狀態(tài)的疊加態(tài)，只有進(jìn)行測量才能顯示出其中一種狀態(tài)，其他的狀態(tài)瞬間消失。對于那些難以理解的量子實驗現(xiàn)象，這樣的解釋看似合理，但似乎又經(jīng)不住推敲：最后坍縮的那一瞬間，到底是什么在起作用使它選擇了其中一種狀態(tài)呢？
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13.1 意識論：我思故我在？
在1927年的第五次索爾維會議上，狄拉克認(rèn)為，波函數(shù)坍縮是自然隨機選擇的結(jié)果，而海森堡則認(rèn)為它是觀察者選擇的結(jié)果。玻爾似乎同意狄拉克的觀點，他在1931年曾說過：“我們必須在很大程度上使用統(tǒng)計方法，并談?wù)撟匀辉谝恍┛赡苄灾虚g進(jìn)行選擇?！?/p>
更驚人的想法來自于“計算機之父”——美籍匈牙利學(xué)者馮·諾依曼（John von Neumann）。1932年，諾依曼出版了經(jīng)典的量子力學(xué)教科書《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》，書中明確地給出了波函數(shù)坍縮這個概念，并且認(rèn)為導(dǎo)致波函數(shù)坍縮的可能原因是觀察者的意識。
馮·諾依曼。圖片來自網(wǎng)絡(luò)
諾依曼認(rèn)為，量子理論不僅適用于微觀粒子，也適用于測量儀器。于是，測量儀器的波函數(shù)也同樣需要“別人”來坍縮，而由于觀察者所意識到的測量結(jié)果總是確定的這一事實，因此只有意識才能最終坍縮波函數(shù)而產(chǎn)生確定的結(jié)果。
意識坍縮波函數(shù)類似于“我思故我在”，這一帶點唯心主義的觀點受到了一些人的追捧，還不斷地在此基礎(chǔ)上發(fā)展出一些新的理論。
1939 年，倫敦和鮑厄撰文介紹意識論，在他們看來，只有觀察者才能夠支配一種特有的內(nèi)省本領(lǐng)，即觀察者能夠立即說明他自己的狀態(tài)，而正是依靠這種內(nèi)在的認(rèn)識，觀察者才能夠產(chǎn)生一種確定的客觀性，從而使疊加的波函數(shù)坍縮。
維格納。圖片來自網(wǎng)絡(luò)
維格納于20 世紀(jì)60 年代再次發(fā)展意識論，他認(rèn)為，有意識的生物在量子力學(xué)中的作用一定與無生命的測量裝置不同。維格納進(jìn)一步建議，考慮到意識對波函數(shù)的特殊作用，量子力學(xué)中的線性薛定諤方程必須用非線性方程來代替。
意識論當(dāng)然也遭到了很多人的反對，不少學(xué)者開始試圖尋找導(dǎo)致波函數(shù)坍縮的其他原因，比如從熱力學(xué)角度考慮，或者建立動態(tài)坍縮模型。
13.2 熱力學(xué)不可逆過程
1949 年，德國學(xué)者約爾丹（P. Jordan）撰文指出，波函數(shù)坍縮過程不是觀察者的意識作用，而必定是一個真實的宏觀物理過程。他指出，在每一種測量中，微觀粒子都要留下宏觀尺寸的蹤跡，因此，解決坍縮問題的關(guān)鍵一定在熱力學(xué)中，而坍縮本身就是一種熱力學(xué)不可逆過程。
20 世紀(jì)50 年代，路德維希進(jìn)一步發(fā)展了約爾丹的想法。他認(rèn)為，測量儀器是一個處于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)的宏觀系統(tǒng)，在受到微觀系統(tǒng)的擾動時能向一個熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)演化，從而導(dǎo)致一個確定的測量結(jié)果的出現(xiàn)。因此，波函數(shù)坍縮是一種由微觀事件觸發(fā)的熱力學(xué)不可逆過程。海森堡當(dāng)時也表達(dá)了同樣的看法，即只要量子測量從可逆過程轉(zhuǎn)變成熱力學(xué)不可逆過程，波函數(shù)坍縮就會發(fā)生。
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然而，為了利用熱力學(xué)不可逆過程來解釋波函數(shù)坍縮，必須首先說明薛定諤方程所規(guī)定的可逆過程在宏觀極限情況下如何能演變成表征測量的不可逆過程，而已有的理論都未能做到這一點。
13.3 退相干理論
為了解決波函數(shù)為什么會坍縮的問題，有的物理學(xué)家又提出了退相干理論。所謂“退相干”，顧名思義，就是指相互干涉作用的退去，也就是說，量子疊加態(tài)不同部分間的相位關(guān)系的退去。根據(jù)退相干理論，當(dāng)被測系統(tǒng)與測量儀器和外界環(huán)境相互作用后，就會發(fā)生退相干過程，產(chǎn)生實際觀察到的結(jié)果，從疊加態(tài)變?yōu)榇_定態(tài)。
人們認(rèn)識到，最初形成的量子觀點僅適用于孤立的封閉系統(tǒng)，然而宇宙中沒有任何物體是完全孤立的，宇宙中總有一些粒子存在，至少有光子存在，因此不考慮外部環(huán)境的作用似乎是不現(xiàn)實的。于是提出了這樣的觀點：自然界中宏觀量子干涉效應(yīng)的缺乏，是由于周圍環(huán)境造成的退相干效應(yīng)的存在，經(jīng)典性是量子性退去相干性的結(jié)果。這就是退相干思想的由來。
根據(jù)退相干理論，相干疊加態(tài)只有在與世隔絕的情況下才能夠一直維持下去。然而事實上，除了宇宙本身以外，每個真實的系統(tǒng)，不論是量子的或是經(jīng)典的，從不近似的孤立，都與外部環(huán)境密切聯(lián)系，是開放的系統(tǒng)。外部環(huán)境可以是空氣中的分子、原子，也可以是輻射中的光子。
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它們就像一個個“觀測者”，不斷和處于量子疊加態(tài)的系統(tǒng)發(fā)生耦合作用。這種不可避免的耦合作用會導(dǎo)致系統(tǒng)的相位關(guān)聯(lián)不可逆地消失，從而破壞系統(tǒng)的量子疊加性，促使系統(tǒng)的波函數(shù)坍縮到某個確定的經(jīng)典態(tài)。
簡單來說，一個與環(huán)境隔絕的量子系統(tǒng)處于純態(tài)的疊加態(tài)，但它一旦接觸外部環(huán)境，它與環(huán)境的相互作用就將破壞它的疊加態(tài)，這就是環(huán)境使系統(tǒng)發(fā)生退相干。
還以我們一直研究的雙縫衍射為例，一個電子的狀態(tài)是穿過縫A 和穿過縫B 兩種狀態(tài)的疊加態(tài)，但一旦你進(jìn)行觀察，在光子的作用下電子的疊加態(tài)會退相干，于是屏幕上的圖案就會發(fā)生改變。
退相干理論中有一個參數(shù)叫退相干時間，就是體系從量子態(tài)演變?yōu)榻?jīng)典態(tài)的時間。退相干時間與研究對象的大小和環(huán)境中的粒子數(shù)有關(guān)。
一個半徑10?8m 的分子在空氣中的退相干時間約為10?30s ；如果把空氣抽去，則能延長到10?17s ；如果把這個分子放在星際空間，它在那里只能與宇宙微波背景輻射相互作用，估計能延長到30000 年。而對于一個半徑為10?5m 的塵埃顆粒，即使在星際空間，其退相干時間也只有1μs。
另外，如果環(huán)境中有大量粒子存在，則退相干時間也會非常非常短，可以認(rèn)為是瞬時完成。電子在遇到屏幕時，屏幕上的大量粒子會使電子瞬時退相干，于是我們就會測量到一個落點。這就解釋了波函數(shù)為什么會坍縮。
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退相干理論為量子世界和經(jīng)典世界提供了一座橋梁，更重要的是，該理論指出波函數(shù)坍縮是系統(tǒng)與環(huán)境作用的結(jié)果，用不著測量儀器和人為意識的介入，這一點是使該理論受到部分物理學(xué)家追捧的原因。但是退相干理論并沒有從本質(zhì)上解決測量問題，它可以說明為什么特定的對象在受到觀察時會表現(xiàn)為經(jīng)典的測量結(jié)果，但不能說明它是如何從眾多的可能結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€特定結(jié)果的。
換句話說，退相干理論并不能取代波函數(shù)坍縮假設(shè)來解決測量問題，它本身無法說明為何一次特定的測量會得到某個特定的結(jié)果而不是另一個?？梢哉f，退相干理論是波函數(shù)坍縮解釋的現(xiàn)代擴展版本。
13.4 GRW 理論
GRW 理論是由三位意大利學(xué)者G. C. Ghirardi，A. Rimini 和T. Weber最先提出來的，所以用他們的姓名首字母作為該理論的名稱。
該理論也是對于波函數(shù)坍縮的修正，其核心思想就是波函數(shù)坍縮既不需要“測量者”參與，也不牽涉到“意識”，它只是基于隨機過程，所以也稱為自發(fā)定域理論。
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GRW 理論的主要假定是，任何系統(tǒng)，不管是微觀還是宏觀的，都不可能在嚴(yán)格的意義上孤立，它們總是和環(huán)境發(fā)生著種種交流，于是就會被一些隨機的過程所影響，這些隨機的物理過程所產(chǎn)生的微小擾動會導(dǎo)致系統(tǒng)從一個不確定的疊加狀態(tài)變?yōu)樵诳臻g中比較精確的定域狀態(tài)，也就是說，波函數(shù)坍縮是一種自發(fā)的從疊加態(tài)變?yōu)槎ㄓ驊B(tài)的過程。
GRW 理論的缺點是引入了新的物理常數(shù)，包括觸發(fā)定域化的最小距離以及自發(fā)定域化的頻率。引入新的常數(shù)總是令人心中不太踏實。另外，該理論還存在種種難以自圓其說的地方，所以也是步履維艱。
13.5 多世界理論：人人都能創(chuàng)造平行宇宙
除了修正波函數(shù)坍縮過程的努力，更有的物理學(xué)家根本不贊同波函數(shù)坍縮這一觀點，于是他們千方百計地想出別的理論來取而代之。
相信不少人都聽說過平行宇宙、多重宇宙、多重世界等說法吧。你是否能想象有無數(shù)多個世界里都有你的身影，你從出生那天起，從第一聲啼哭是否被旁人聽見開始，你就不斷地把世界分裂成無數(shù)個分支，于是世界上所有的人也就得跟著分身，就得陪著你在這不同的世界里生活，而你也得在別人分裂出的世界里不斷復(fù)制自身……簡直亂得一塌糊涂。
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你是不是以為我在胡言亂語？這可不是我說的，這就是最受科幻迷們追捧的量子物理新理論——多世界理論。這個理論的始作俑者叫艾弗雷特（Hugh Everett），然后不斷地有人發(fā)展，最后居然成了熱門理論。看來為了解釋量子現(xiàn)象，物理學(xué)家們已經(jīng)到了“饑不擇食”的地步了。
艾弗雷特從小就對宇宙感興趣，他12 歲的時候就給愛因斯坦寫信問了一些關(guān)于宇宙的問題，愛因斯坦給他回信進(jìn)行了解答。
1953 年，艾弗雷特畢業(yè)于美國天主教大學(xué)化學(xué)工程系，獲得獎學(xué)金進(jìn)入普林斯頓大學(xué)讀研。一開始他進(jìn)的是數(shù)學(xué)系，但他很快就設(shè)法轉(zhuǎn)入物理系，成為惠勒的學(xué)生（和費曼師出同門），研究量子力學(xué)。
艾弗雷特。圖片來自網(wǎng)絡(luò)
艾弗雷特對波函數(shù)坍縮百思不得其解，于是干脆直接否定了它：根本不會發(fā)生波函數(shù)坍縮。
1957 年，艾弗雷特在他的博士論文中提出了量子理論的多重世界詮釋。他提出一個“相對狀態(tài)”公式，并說明用他的所有量子狀態(tài)都可能存在的假定也可以得出對量子力學(xué)實驗結(jié)果的預(yù)測。
他的理論是，所有孤立系統(tǒng)的演化都遵循薛定諤方程，但波函數(shù)坍縮從不發(fā)生。在他看來，被測系統(tǒng)、測量儀器和觀察者都有自己的波函數(shù)，也都存在各種狀態(tài)，于是這三者構(gòu)成的整體也就存在各種疊加態(tài)，這些疊加態(tài)中每個狀態(tài)都包含一個確定的觀察者態(tài)、一個具有確定讀數(shù)的測量儀器態(tài)，以及一個確定的被測系統(tǒng)態(tài)，因此，在每一個狀態(tài)中的觀察者都會看到一個確定的測量結(jié)果，這樣，在這個狀態(tài)中波函數(shù)坍縮看似已經(jīng)發(fā)生，其實是因為他們不知道其他平行狀態(tài)的存在而已。實際上從整體來看，波函數(shù)并沒有坍縮，它仍然在各種平行狀態(tài)中發(fā)展著。
簡單來說，就是波函數(shù)的每一種可能狀態(tài)都會發(fā)展下去，不會因為你的觀察而消失，而每一種狀態(tài)都需要一個世界供它發(fā)展，于是就需要無數(shù)個平行的世界。就比如電子雙縫干涉實驗，電子在所有亮條紋處都有出現(xiàn)的概率，但你發(fā)射一個電子它只會有一個落點。它為什么偏偏會落到這一點呢？
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當(dāng)你苦苦思索時，艾弗雷特會微微一笑，告訴你，別想了，在這個世界里電子落在這一點，但在另一個世界里它落在另一點，不過只有那個世界里的你和我才能看到，在第三個世界里它又落在另一點，不過也只有第三個世界里的你和我才能看到……總之，電子所有可能的落點都會分裂出一個世界，也只有那個世界里的你和我會看到它落在哪里。
宇宙就是一個孤立系統(tǒng)，這樣，因為你做了一次電子雙縫干涉實驗，宇宙就分裂成無數(shù)個平行宇宙，這么看來，我們?nèi)祟惷繒r每刻都在不斷地創(chuàng)造著新的宇宙。這個說法真是太怪誕了！為了一個小小的電子落點問題，我們竟然要興師動眾地牽涉整個宇宙的分裂！
得克薩斯大學(xué)的布萊斯·德威特在剛接觸這個理論時，曾將其斥為“徹頭徹尾的精神分裂癥”，但令人費解的是，后來德威特卻成了該理論最積極的鼓吹者之一。
對于信奉多重世界理論的人來說，也許不必為世界上任何事難過。比如他有一條寵物狗，有人開槍打死了它，多世界者會說，沒關(guān)系，我的狗在子彈打偏的世界里照樣活得好好的。他們真能這么瀟灑嗎？
