原文：Quantum reality: The many meanings of life
翻譯：潘格溫。自我介紹：大家好，因為走路大搖大擺有點像企鵝（penguin），所以被叫這個名字。我是數(shù)學(xué)系的研究生，但是更喜歡物理，尤其對弦論感興趣?，F(xiàn)在學(xué)的數(shù)學(xué)物理誠然復(fù)雜，但我相信一個人若能真正理解這些原理，那么即使面對外行，他也有能力解釋清楚。因此我喜歡科學(xué)松鼠會，并躍躍欲試想寫出幾何及物理方面的科普文章（請耐心等待吧）。除了數(shù)學(xué)物理，我還喜歡英文小說和古典音樂，另外還有一個古怪的愛好——看火車。
校對：夢享主義者。自我介紹：帝都求學(xué)數(shù)載，專業(yè)換了幾次，如今投在科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)門下。平時愛看閑書，西洋東洋來者不拒。愛科學(xué)，更愛科學(xué)史！
量子理論是一項科學(xué)的杰作，但物理學(xué)家至今仍不知道該如何來理解它。
整整一百年前，第一屆國際物理學(xué)會議在比利時布魯塞爾舉行。會議的議題是討論如何認識新奇的量子理論并把它同我們的日常生活經(jīng)驗聯(lián)系起來，以期給我們一個對世界清晰自洽的描述。
然而，這個問題現(xiàn)在依然困擾著物理學(xué)家。微觀粒子所具有的一些性質(zhì)實在是出乎尋常，比如原子和分子就具有可以在不同地方同時出現(xiàn)的神奇能力，可以同時順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)，或者即使相隔半個宇宙也可瞬間影響到對方。問題是，我們?nèi)艘彩欠肿雍驮咏M成的，為什么我們就沒有上述性質(zhì)呢？“量子力學(xué)的應(yīng)用立足于何處？”牛津大學(xué)的科學(xué)哲學(xué)家哈維?布朗這樣問道。
盡管最終答案還未出現(xiàn)，人類探尋的努力還是有回報的。比如，一個已經(jīng)引起高科技產(chǎn)業(yè)和情報機構(gòu)注意的全新領(lǐng)域已經(jīng)誕生。這就是量子信息學(xué)。量子信息學(xué)可以讓我們從一個嶄新的角度來探索物理終極理論，它或許還可以告訴我們宇宙的起源。對于一個被量子理論的懷疑者——阿爾伯特?愛因斯坦——嗤之為讓優(yōu)秀物理學(xué)家沉睡不醒的“柔軟枕頭”的理論來說，這已經(jīng)算是碩果頗豐了。
出乎愛因斯坦所料，量子理論如今已經(jīng)成為一項杰作。迄今尚無實驗與量子理論所做的預(yù)言相抵觸，并且人們相信它可以在微觀尺度上很好地描述宇宙規(guī)律。這就導(dǎo)致了最后一個問題：量子理論意味著什么？
物理學(xué)家是用“詮釋”——一種和實驗完全相符的對量子理論本質(zhì)的哲學(xué)思考，來試著回答這個問題的。“現(xiàn)在我們有一大堆詮釋?！痹谂＝虼髮W(xué)和新加坡量子技術(shù)中心同時任職的弗拉托克?維德勒如是說。
沒有一種科學(xué)理論可以像量子力學(xué)這樣可以從這么多角度來理解。為什么會有這樣的情況？這么多的詮釋中有沒有一種可以勝過其他的？
接著我們還有“多世界詮釋”，在該體系中量子奇異性可以通過任何事物在無數(shù)平行宇宙的多重存在性得到解釋。也許你更喜好“德布羅意-玻姆詮釋”，在這里量子理論被認為是不完備的：我們還缺少一些隱藏屬性，如果知道它們，我們就能理解所有東西。
還有許多其他的詮釋，比如吉亞爾迪-里米尼-韋伯詮釋，交易詮釋（這其中有逆時間而行的粒子），羅杰?彭羅斯的引力誘導(dǎo)坍縮詮釋，模態(tài)詮釋……在過去的一百年里，量子世界已經(jīng)變得擁擠而熱鬧。
撇開這些熙攘熱鬧的景象，對大多數(shù)物理學(xué)家來說，只有少數(shù)解釋至關(guān)重要。
最受歡迎的詮釋莫過于波爾的哥本哈根詮釋了。它之所以受歡迎，是得益于大多數(shù)物理學(xué)家不想費神去考慮哲學(xué)問題。類似于“到底什么構(gòu)成了測量”或者“為什么它可能導(dǎo)致現(xiàn)實的改變”這樣的問題是可以被忽略的——物理學(xué)家只想從量子理論中得到有用的結(jié)論。
這就是為什么被不加懷疑而使用的哥本哈根詮釋有時也被叫做“閉嘴，乖乖計算”詮釋。“考慮到大多數(shù)物理學(xué)家只是想做計算并將所得結(jié)果應(yīng)用于實際，他們中的絕大多數(shù)都是站在‘閉嘴，乖乖計算’這一邊的?！本S德勒說。
然而這種方式也有不足之處。首先它不會告訴我們?nèi)魏侮P(guān)于實在的根本性質(zhì)。那需要通過去尋找量子理論可能失效的地方來獲得，而不是成功的地方。(New Scientist, 26 June 2010, p 34)“如果真要有什么新的理論出現(xiàn)的話，我不認為它會來自大多數(shù)物理學(xué)家工作的固體物理學(xué)領(lǐng)域?！?維德勒說。
其次，作繭自縛式的研究也意味著不大可能出現(xiàn)量子理論的新的應(yīng)用。我們對量子理論可以采取的多方面的視角正是新想法產(chǎn)生的催化劑?！叭绻阏诮鉀Q不同的問題，那么用不同的詮釋來思考會有好處?！?維德勒說。
沒有其他的領(lǐng)域能比量子信息學(xué)更明顯地表明這一點了?！叭绻藗儧]有擔(dān)憂過量子物理的基礎(chǔ)，量子信息學(xué)這個領(lǐng)域甚至不會存在?！眾W地利維也納大學(xué)的安東?蔡林格說。
這個領(lǐng)域的核心是量子糾纏現(xiàn)象——一部分粒子的性質(zhì)的信息被全體粒子所共有。這就導(dǎo)致了被愛因斯坦稱為“幽靈般的超距作用”，即測量一個粒子的性質(zhì)會瞬間影響到另一個和它糾纏的同伴的性質(zhì)，不管它們之間距離有多遠。
當(dāng)糾纏現(xiàn)象第一次在量子理論的方程中被發(fā)現(xiàn)時，它被當(dāng)作過于奇怪的想法，以至于愛爾蘭物理學(xué)家約翰?貝爾創(chuàng)造了一個思想實驗來表明糾纏現(xiàn)象無法在真實世界中顯現(xiàn)。而當(dāng)真的可以做出這個實驗真的之后，它證明了貝爾是錯的，并且告訴物理學(xué)家有關(guān)量子測量的大量細節(jié)。它還為量子計算奠定了基礎(chǔ)，通過量子計算，以前對粒子進行成千上萬的并行測量才能得到的結(jié)果，現(xiàn)在單個的測量就可以告訴你答案。此外的應(yīng)用還有量子密碼學(xué)，通過利用量子測量的特殊性質(zhì)來保護信息安全。
不難理解，所有這些技術(shù)吸引了政府和渴望最高端技術(shù)的工業(yè)界的關(guān)注——同時防止它們落入敵手。
然而物理學(xué)家更感興趣的是這些現(xiàn)象可以告訴我們哪些自然界的本質(zhì)規(guī)律。量子信息實驗暗含的一個結(jié)論是說微觀粒子包含的信息是實在的根源。
哥本哈根詮釋的支持者諸如蔡林格，把量子系統(tǒng)看作信息的載體，而用經(jīng)典儀器進行的測量不過是記錄和顯示系統(tǒng)所包含的信息的過程?！皽y量是在更新信息?！辈塘指裾f。這個把信息作為實在的基本組成的新觀點導(dǎo)致了有人猜測宇宙本身或許就是一臺巨大的量子計算機。
盡管哥本哈根詮釋在大踏步前進，仍然有不少物理學(xué)家盯著它的弱點不放。這在很大程度上是由于哥本哈根詮釋要求微觀量子系統(tǒng)和對它的測量的經(jīng)典儀器或觀察者，二者必須人為區(qū)分開。
例如，維德勒曾經(jīng)探尋過量子力學(xué)在生物中所扮演的角色：細胞中各種各樣的過程和機制本質(zhì)上都是量子的，比如光和作用和光線感知系統(tǒng)(New Scientist, 27 November, p 42)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)世界上越來越多的東西可以用量子力學(xué)來描述——我并不認為在‘量子’和‘經(jīng)典’之間有明確的界限?！彼f。
以宇宙的尺度來考慮事物的本性也給哥本哈根詮釋的批評者提供了彈藥。如果經(jīng)典觀察者的測量過程對于創(chuàng)造我們觀察到的實在是必不可少的，那么是誰的觀測使得現(xiàn)有宇宙得以存在？“你確實需要一個在系統(tǒng)外的觀察者才能讓哥本哈根詮釋是合理的——但根據(jù)定義，宇宙外沒有任何東西?！辈祭收f。
這就是為什么，布朗說，宇宙學(xué)家更傾向于贊同由普林斯頓的物理學(xué)家休?埃弗里特在上世紀50年代晚期創(chuàng)立的詮釋。他的“多世界詮釋”宣稱實在并不受限于測量概念。
作為替代的是，量子系統(tǒng)固有的無限可能性在它們自身的宇宙各自顯現(xiàn)。大衛(wèi)?多伊奇，牛津大學(xué)的物理學(xué)家并曾經(jīng)為第一臺量子計算機擬定藍圖，說他現(xiàn)在只能用平行宇宙的概念來考慮計算機的運行。對他來說，其他的詮釋都是無意義的。
并不是說多世界詮釋就沒有受到批評——事實恰恰相反。新澤西羅格斯大學(xué)的科學(xué)哲學(xué)家蒂姆?莫德林很贊同放棄把測量這一概念當(dāng)作一個特殊過程。但同時，他也不相信多世界詮釋可以提供一個很好的框架來解釋為什么一些量子結(jié)果要比其他的更有可能出現(xiàn)。
當(dāng)量子理論預(yù)言一個測量的結(jié)果出現(xiàn)的可能性要高十倍于另一個，反復(fù)的實驗可以證明這一點。依照莫德林所說，多世界詮釋認為由于世界的多重性，所有的可能都會發(fā)生，但它并沒有解釋為什么觀察者看到的總是（通過計算算出的）最可能出現(xiàn)的結(jié)果?！斑@里有個深層問題需要解決。”他說。
多伊奇說這些問題在這一兩年內(nèi)已經(jīng)被解決?！鞍８ダ锾靥幚砀怕实姆绞绞怯腥毕莸?，但這幾年里多世界詮釋的理論家們已經(jīng)清除掉了這些缺陷——問題已經(jīng)解決了?！彼f。
然而多伊奇的論證太玄奧了以至于并不是每個人都承認他的說法。更難回答的問題還有被多世界詮釋支持者稱為“懷疑眼神的反對”。多世界詮釋一個明顯的推論是說宇宙中有很多你的復(fù)制品——比如，貓王現(xiàn)在仍然在另一個宇宙中的拉斯維加斯進行表演。很少有人能接受這種想法。
這個問題只有靠時間來解決了，布朗認為?！叭藗兤毡殡y以接受存在許多你和其他人的復(fù)制品這種想法，”他說，“但這只是人們能否逐漸習(xí)慣的問題?！?/p>
多伊奇認為當(dāng)量子世界奇怪方面可以用到現(xiàn)實技術(shù)中時，人們將能接受多世界的概念。一旦量子計算機可以實現(xiàn)在同一時間在不同的狀態(tài)來處理任務(wù)，我們將不會認為這些多重的世界不是物理層面的事實?！暗綍r候人們將會很難堅持說多世界的想法只是嘴上說說而已?！?多伊奇說。
他和布朗都宣稱多世界的概念已經(jīng)得到宇宙學(xué)家的支持。來自弦論、宇宙學(xué)和觀測天文學(xué)的論證已經(jīng)讓宇宙學(xué)家猜測我們生活在多重的宇宙中。去年，加州大學(xué)圣克魯茲分校的安東尼?阿奎爾，麻省理工的馬克斯?蒂格馬克以及哈佛大學(xué)的大衛(wèi)?萊澤完成了把宇宙學(xué)和多世界的想法聯(lián)系起來的大致方案。但多世界詮釋并不是引起宇宙學(xué)家注意的唯一的詮釋。在2008年，倫敦帝國理工的安東尼?瓦倫蒂尼指出在大爆炸之后就充滿宇宙的宇宙微波背景輻射或許能支持德布羅意-玻姆詮釋。在這個方案下，微觀粒子具有未被發(fā)現(xiàn)的被稱為“隱變量”的性質(zhì)。(New Scientist, 28 August 2010, p 6)
這個詮釋背后的思想是通過把這些隱變量考慮進去就可以解釋量子世界的奇異行為，而這些隱變量會在宇宙微波背景輻射的一些細節(jié)處留下蹤跡。瓦倫蒂尼說隱變量理論可以比標(biāo)準(zhǔn)的量子力學(xué)更好地符合已觀測到的宇宙微波背景輻射的結(jié)構(gòu)。
盡管這是個漂亮的想法，但仍然沒有確鑿的證據(jù)可以證明這個理論會大有作為。另外，如果真的觀測到宇宙微波背景輻射出乎意料的結(jié)果，這也不能作為瓦倫蒂尼假說的證據(jù)。維德勒認為：任何詮釋都可以聲稱早期宇宙的環(huán)境會導(dǎo)致出人意料的結(jié)果。
“我們正陷入一種境地，或許我們永遠也不能用實驗判定埃弗里特和德布羅意-玻姆詮釋的對錯?！辈祭食姓J說。但是，他補充說，也不應(yīng)當(dāng)因此悲觀?！拔蚁胛覀円呀?jīng)有很多顯著的進展了。許多人說因為缺少能區(qū)分各種詮釋的判決實驗，我們什么結(jié)論也做不了。但事實上一些詮釋確實比另一些要好?！?/p>
目前，布朗、多伊奇和蔡林格都不愿放棄他們各自喜歡的量子力學(xué)詮釋。盡管關(guān)于量子力學(xué)到底意味著什么的爭論沒有結(jié)束的意思，蔡林格仍然感到高興。
維德勒對此表示贊同。盡管他把自己放在“多世界俱樂部”里，他也承認，你選擇去相信什么樣的詮釋在很大程度上取決于個人喜好?！霸诙鄶?shù)情況下你是不能用實驗來區(qū)分這些詮釋的，因此你要做的就是跟著自己的直覺走。”
物理學(xué)家們漫游于量子世界，隨心所欲地選擇他們喜歡的詮釋，這看起來有幾分不科學(xué)，但至少目前看來也沒什么壞處。
量子理論已經(jīng)通過它創(chuàng)造出的產(chǎn)品——比如晶體管和激光——改變了世界，并將繼續(xù)改變。不同的詮釋讓物理學(xué)家們用不同的思想和不同的方式去做實驗。如果歷史可以靠得住的話，用開放的眼光來看待量子理論的意義或許可以開啟物理學(xué)的另一個全新領(lǐng)域，維德勒說：“那就真的很令人興奮了?！?/p>
Michael Brooks is a consultant for New Scientist
文字編輯：霍森布魯斯
