第1章
“什么才是真实的？”

20世纪的前25年，两个震古烁今的物理学理论横空出世，永远地改变了我们对现实的理解。其中，相对论的发展历程相当有童话色彩：惊世的天才原本已离开了学术界，却凭借一己之力，取得了石破天惊的科学发现。这个故事的主人公，便是爱因斯坦。

量子物理的诞生相比之下则要复杂得多。它是许多物理学家共同努力的结果，参与者数以十计，耗时近30年。爱因斯坦也是其中一员，但他并不是领军人物。在这群组织松散的伟人中，如果非要说有个领袖的话，那可能就是丹麦物理学家玻尔了。

爱因斯坦为什么极力反对哥本哈根诠释

量子物理创立初期，玻尔一手创建的哥本哈根理论物理研究所无疑是相关研究的圣地。在长达50年的时间里，几乎每一位量子物理界的大人物都曾在这里研究和学习。从开创量子物理的基本理论，到发现元素周期表背后的规律，再到利用核放射材料来观察活细胞，在这里工作的物理学家的建树，可以说涉及了科学界的所有领域。

海森堡，沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli），玻恩，帕斯库尔·约尔当（Pascual Jordan）……玻尔和他这些高徒一起创立了“哥本哈根诠释”，它很快就成为量子物理的标准解释。量子物理跟现实世界有什么关系？根据哥本哈根诠释，这个问题的答案十分简单：量子物理跟我们生活的世界毫无关系。

哥本哈根诠释并没有告诉我们一个关于原子和亚原子粒子所在的量子世界的故事，而表示量子物理只是一个计算各种实验结果概率的工具。玻尔认为，我们不必去描述量子世界，因为“量子世界并不存在，存在的只是一个抽象的量子物理模型”。

由于量子物体并不像我们身边的物体那样真实存在，这个模型的用途仅限于预测量子事件发生的概率。海森堡说：“一个客观的真实世界里，那些最微小的组成部分不可能像石头或者树木一样，无论是否有人观测都客观存在。”可实验的结果的的确确是真实的，因为我们通过测量它们从而创造了它们。

约尔当在测量电子这样的亚原子粒子时说：“电子是被迫做出决定的，是我们强迫它选择了一个固定的位置。在这之前，它既不在这儿，也不在那儿。是我们通过实验本身创造了实验的结果。”

爱因斯坦觉得这些话都是无稽之谈。他在给友人的信中写道：“这个理论有点像是一个极其聪明的偏执狂脑中的那套妄想。”爱因斯坦也对量子物理做出了巨大贡献，但坚决反对哥本哈根诠释，并称其是一种镇静性哲学，“相信它的人陶醉地躺在这个柔软的枕头上，可我完全不能被说服。”

爱因斯坦要求对量子物理做出一种解释，讲述一个关于世界的圆融统一的故事，即使没有进行测量也能回答问题。哥本哈根诠释无法回答此类问题，于是爱因斯坦愤怒地称它是一场“浸透了认识论的狂欢”。

然而人们普遍忽略了，爱因斯坦追求一个更完整理论的主要原因，在于冯·诺依曼证明了这样的理论不可能存在。冯·诺依曼可以说是当时最顶尖的数学天才，他8岁自学微积分，19岁发表高等数学的论文，22岁获博士学位。他在原子弹的研发中起到了至关重要的作用，更是计算机科学的奠基人之一。此外，他还精通7种语言。他在普林斯顿大学的同事半开玩笑半认真地说，冯·诺依曼想证明什么就可以证明什么，他的证明肯定不会错。

1932年，冯·诺依曼把他涉及量子物理的证明收录进自己写的教科书中。爱因斯坦可能并不知道这个证明，但其他很多物理学家是知道的。对这些人来说，只要伟大的冯·诺依曼提出一个证明的想法就足以平息这场争论。哲学家保罗·费耶阿本德（Paul Feyerabend）的经历完美地诠释了这一点。在玻尔的一次公开演讲之后，“玻尔先走了，大家继续讨论。有人对他的论点提出反对，认为其中有许多漏洞。玻尔的拥护者没有去梳理其中的逻辑，而是把冯·诺依曼的证明搬了出来。那一瞬间，反对的人都立马噤了声……只要说出冯·诺依曼的名字和‘证明’这个词，反对的人便无话可说。”

但至少有一个人曾对冯·诺依曼的证明提出异议。德国数学家、哲学家格蕾特·赫尔曼（Grete Hermann）在1935年发表过一篇反驳冯·诺依曼证明的论文。赫尔曼指出，证明中有一个关键步骤不够严谨，整个证明因此不能成立。不过，这篇文章并未引起大家的注意，因为她在物理界名不见经传，并且是一名女性。

尽管冯·诺依曼的证明有所疏漏，哥本哈根诠释却依然保持着绝对主流的位置。由于极力反对哥本哈根诠释，爱因斯坦成为大家眼里脱离时代的顽固老头。质疑哥本哈根诠释几乎就等于质疑量子物理本身，在接下来的20年里，量子物理所向披靡，但没有人再去探究它核心深处的未解之谜。

量子物理与牛顿的经典力学有哪些不同

为什么量子物理需要诠释呢？难道它不能直接告诉我们世界的真相吗？为什么爱因斯坦和玻尔之间会有争论呢？毕竟，他们俩都明确同意量子物理本身是成立的。如果是这样，他们为什么认为量子物理的理论有不同的意义？

量子物理需要被诠释的原因在于它不是一个直接反映现实的理论。量子物理的计算，晦涩而复杂，跟我们身边的世界也没有明显的联系。它与它取而代之的理论—艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的经典力学，截然不同。

牛顿的经典力学是通过十分直观的三维空间描述这个世界。在无外力影响的情况下，里面的物体都会一直保持直线运动；物体的位置用三个数字表示，每个数字代表一个维度，叫作“向量”（Vector）。如果我站在一个2米高的梯子上，而梯子在你前方3米，那我的位置就是（0，3，2）。

0代表我的位置垂直于梯子，没有左右偏离；

3是我跟你之间的距离；

2则代表我在你上方2米处。

一切都非常直观，没人会觉得经典力学需要什么诠释。

但是量子物理不一样，它的理论和计算都比牛顿经典力学艰深得多。若想知道一粒电子的位置，三个数字远远不够，我们需要无限多的数字。量子物理用来描述这个世界的，是一种叫作“波函数”（Wave Functions）的无穷个数字的集合。这些数字被一一分配到不同的位置，空间里的每一个点都有属于自己的编号。

如果你的手机上有个应用可以测到单个电子的波函数的话，屏幕上只会显示一个数字，这个数字被分配到你手机所在的位置；你现在坐的地方在这个波函数测量仪上可能会显示为5，顺着这条路再走半个街区可能就是0.02。笼统地说，波函数就是一组对应着不同位置的数集。

在量子物理中，每个物体都有属于自己的波函数。这本书有，你坐的椅子有，你自己有，你周围空气里的原子，以及这些原子里所有的电子和其他亚原子粒子也都有。我们可以通过薛定谔方程并根据物体的波函数来推断它们的行为。

为什么薛定谔方程只在没有测量行为时成立？

薛定谔方程是量子物理的核心方程，由奥地利物理学家薛定谔于20世纪20年代中期提出。根据薛定谔方程，波函数不能发生瞬时变化。换言之，波函数分配给某个位置的数字不能瞬时从5变成500，而是要一点点地从5.1到5.2再到5.3这样慢慢过渡。波函数的数字可增也可减，就像波浪一样，波函数因此得名。不过，它们的走势总是均匀平滑的，不会骤增骤降。

波函数本身并不十分复杂，但量子物理需要用到它，这件事本身就有些奇怪。经典力学用三个数字就能描述物体的位置，而量子物理却需要动用无数个数字来描述一个电子的位置。也许是电子的性质比较特别吧，毕竟它们跟石头、椅子还有人类不大一样。可能它们的位置比较模糊，需要用波函数来界定它们震动的范围。

但事实证明，这不可能是正确的。没有人在一个界定明确的地方看到过半个电子，或者任何一个小于完整电子的东西。波函数并不能告诉我们某个地方有多少个电子，它告诉我们的是在那个地方找到电子的概率。量子物理做出的预测通常都是一个概率，而不是明确的数量。这一点也有些匪夷所思，因为薛定谔方程完全是确定性的，根本不包含概率。在任意情况下，薛定谔方程都可以准确地算出任意波函数的具体形式。

说起来这也不完全正确，事情怪就怪在我们一旦观察到了电子，它的波函数就会发生变化。它将不再遵循薛定谔方程，而是立马坍缩。在我们观察到电子的那个位置之外的所有位置，这个波函数所有的数值都会瞬间为0。

换言之，这个物理定律会被测量行为影响。一旦我们开始测量，薛定谔方程就会在测量过程中作废，而除了被观察到的那个随机点外，其他点相应的波函数都会发生坍缩。这件事着实很奇怪，因而被特别命名为“测量问题”（见图1.1）。

为什么薛定谔方程只在测量行为没发生时成立呢？这好像有违自然规律吧？自然规律难道不应该是任何时候都成立的吗？不管有没有人在旁边看，枫叶该掉还是会掉，而地心引力也不在乎有没有人在观察。

那或许量子物理真的不一样吧。或许量子世界的规则会被测量行为打破。这听上去有些诡异，但并非不可能。可即便真是这样，它也不能完全解决量子测量问题，因为新的问题又来了—什么行为算是测量行为呢？是不是必须有一个测量者？量子世界的存在与否取决于是否有测量者吗？任何人都能让波函数坍缩吗？测量者是需要保持清醒的意识，还是昏迷的人也能做到？新生婴儿可以吗？这是仅限于人类，还是黑猩猩也能做到？

爱因斯坦曾设问：“如果有只老鼠在观察这个宇宙，这会改变宇宙的量子状态吗？”贝尔也问道：“在单细胞生物出现之前，整个世界的波函数是不是等待了数亿年？还是说，光是单细胞生物还不够，得等到有物理学博士学位的人出现才行？”

如果说测量行为跟活着的观察者无关，那它到底跟什么有关呢？是不是只要有一个不受量子物理定律控制的宏观物体来观测一个受到量子物理定律控制的微观物体就够了？这不就意味着几乎时时刻刻都有测量行为在发生吗？也就是说，薛定谔方程几乎无法成立吧。可它分明是成立的啊！再者，量子的“小”世界和牛顿的“大”世界之间，边界到底在哪里？

没有量子物理，就不懂如何制造芯片

基础物理学的核心中居然有这么一个布满疑点的潘多拉盒，着实令人不安。然而，尽管有种种奇怪之处，量子物理却无疑是个十分成功的理论。牛顿的经典力学已经相当不错了，而量子物理还要更胜一筹。没有量子物理，我们就不会明白钻石为什么如此坚硬，原子由什么构成，也不会知道怎样制造电子器件。

这么说来，遍布于整个宇宙的波函数跟我们身边的世界必然紧密相关，不然量子物理的预测怎么能如此准确？既然如此，找出量子测量问题的答案便是一件紧迫的事。只要这个问题还没解决，我们对真实世界的认识就仍有欠缺。

我们应该怎么来解释这个怪异而奇妙的理论？它到底在讲述着怎样的故事？这个问题听起来就十分复杂，与其去直面问题，我们不如干脆提出问题并使其不成立。我们可以声称，量子物理学的目的只是预测实验结果。这样一来，我们就不用去管我们没有测量的时候发生了什么，所有复杂的问题都消失了。

什么是波函数？它跟我们身边的物体有什么关系？很简单嘛，我们只要把波函数看作一个数学模型就好。它只不过是个能让我们预测测量结果的数学工具，跟我们身边的世界没有任何直接关系。

波函数在没人观察时有什么行为都不重要，因为在两次测量之间发生的一切都不重要。甚至在此时谈论事物的存在也是不科学的。以上这些让人摸不着头脑的说法居然就是量子物理界的主流看法—哥本哈根诠释这个“柔软的枕头”。

这些看似简单的答案引出了另一个问题，一个没有明显解决方案的问题。物理是关于物质世界的科学，而量子理论则宣称自己是支配这个世界的最基本组成部分的物理学。然而哥本哈根诠释提出通过量子物理去探寻世界的真相没有意义。那么，什么才是真实的呢？对此，哥本哈根诠释只是报以沉默，一脸不满地看着那个莽撞的提问者。

无论如何，这都不是一个令人满意的答案，可它偏偏就是标准答案。而探索这个问题的物理学家，包括爱因斯坦，以及后来的贝尔和玻姆，都公开反对哥本哈根诠释。因此，对真实的探寻也是一个关于反抗的故事。这种反抗从量子物理诞生之初就开始了。