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第10章 量子力学证明我是蝙蝠侠（第1页）

第10章　量子力学证明我是蝙蝠侠

解构薛定谔的猫

哥本哈根耸耸肩，说：“就是这么回事。”当我们试图理解量子力学时，最大的问题总是：我们能做得更好吗？

大多数物理教科书讲授哥本哈根诠释是因为玻尔是个非常重要的人物，几十年来，他的解释是唯一的解释。但如今，哥本哈根诠释并不是最好的。

很明显，我们迟早要放弃经典物理的想法，任何对量子力学的解释都会涉及一些非常怪异的东西，但在哥本哈根的圣徒日之后，一种大杂烩式的替代方法诞生了。

很难确定这样一本书应该包含哪种量子诠释，事实上，所有这些诠释可以填满一座图书馆。但我决定跟着感觉走，讨论三个由科幻爱好者发明的量子视角，以拓展早期物理学巨人的工作。

忘掉我之前说的话

1927年，路易·德布罗意在布鲁塞尔的第五次索尔维会议上发表了演讲。索尔维会议是比利时实业家欧内斯特·索尔维组织的物理学聚会。索尔维在19世纪60年代发明了一种制造碳酸钠（生产玻璃的关键原料）的工业方法，赚了数百万美元。

索尔维把他的聚会想象成了科学家的夏令营。他把全世界最聪明的人聚集在一栋大楼里，让他们花一整月讨论宏大问题。聚会中有讲座，还会组织辩论，如果仍然无法达成一致，就给他们分发尖木棒。

1911年的第一次索尔维会议主题是普朗克和爱因斯坦的量子论；第二次索尔维会议（1913年）的主题是“物质的结构”；第三次索尔维会议（1921年）的主题是“原子与电子”；第四次索尔维会议（1924年）的主题是“电”；第五次索尔维会议讨论的是哥本哈根诠释，以及这一诠释是否应该永远占据统治地位。参与这一次传奇事件的有薛定谔、海森堡、索末菲、德布罗意、玻尔、玻恩、普朗克、居里夫人、爱因斯坦等。

在一张标志性的照片上，所有出席会议的科学家都坐在露天看台上，这是迄今为止最奇怪的年鉴照片。居里夫人是唯一的女性。薛定谔是唯一戴领结的人。化学家彼得·德拜是唯一留着卓别林式小胡子的人，这种胡子在接下来的十年里不再流行（原因显而易见）。

在这次会议上，语调温和、态度友善的路易·德布罗意提出了他认为可行的替代哥本哈根诠释的方案。他认为引入波粒二象性是一个错误，电子和光子仅仅只是粒子。它们没有波的特性，而是被一些有波动性的背景物质包围着。无形的“导波”把这些粒子推来推去，因此使它们看上去像在沿着类似于波的轨迹运动。

据说，当德布罗意概述自己的想法时，性急的沃尔夫冈·泡利就大声地质问起来。泡利在这方面有个很坏的名声，如果他觉得演讲不合格，就会打断演讲者。泡利是一位杰出的物理学家（他发展了纠缠理论，我们在前两章解释了），但他也非常令人生畏，而德布罗意则基本上是个好好先生。

德布罗意不卑不亢地接受了泡利的打断，承认自己的假设有缺陷，但讲座结束后，人们更关心泡利的质疑，而不是德布罗意的回答。导波的想法也随之被搁浅。

直到1952年，核物理学家戴维·玻姆把这个想法打捞起来。玻姆小时候通过科幻杂志发现了自己对科学的热爱[1]，并在“二战”期间参与了曼哈顿计划。

成年以后，玻姆大部分时间是哥本哈根诠释的支持者，但在爱因斯坦的诱劝下，他开始觉得哥本哈根诠释需要太多的神迹，因此转向了德布罗意的导波理论。

导波理论甚至似乎有一些很好的实验证据。如果像托马斯·杨那样向一个双缝发送水波，显然也能得到干涉条纹。如果你把小物体（如油滴）放在水波表面，它就会像风暴中的船只一样乘风破浪，最终走到远端的斑马条纹上。油滴仍然是粒子，但它的目的地是由导波决定的。

玻姆面临的挑战是，这个系统意味着电子每次都应该遵循相同的路径，但在真正的量子实验中，电子似乎随机地出现在任意一条斑马条纹上。为了解决这个问题，玻姆提出，当电子从发射器中激发出去时，它的内部有隐藏的变量—我们无法探测到这种微小的能量变化，但这导致了双缝中的不同路径。

在数学上，玻姆的量子观点增加了额外的复杂性，因为你必须讨论这些导波的值（量子势），这要求在薛定谔方程的基础上建立更多的方程。但在新增项中，玻姆的观点确实回答了为什么探测决定粒子的属性—位置和自旋等属性取决于导波，而非粒子本身。这就是为什么粒子有时候看起来没有属性。它们确实没有，这些属性来自导波。

玻姆，亲爱的玻姆

根据德布罗意-玻姆的观点，量子行为并不是随机的，因为在理论上，我们可以用经典物理来解释双缝实验。2010年，伊夫·库德做了个实验，声称能准确地证明这一点。

库德在水箱里做双缝实验，他把小油滴滴在水面上，看它们会如何运动。油滴代表粒子，水中的涟漪代表导波。

库德报告说，油滴沿着水波的轨迹，在另一端成簇地聚集，就像光子和电子一样。[2]有没有可能粒子是有位置的，它们只是像经典物体一样骑在导波上？

这是个令人兴奋的结论，似乎最终推翻了哥本哈根诠释。但它太妙了，令人难以置信。尼尔斯·玻尔的孙子托马斯·玻尔以及物理学家约翰·布什进一步做了研究，却没有得到相同的结果，[3]他们得出的结论是，库德在实验中有几处无心之过。

如果你尝试用真实粒子在真实波上重现双缝实验，只会得到经典的结果，而得不到斑马条纹，除非导波是一种非经典形式的特殊波，否则我们无法用玻姆力学来解释双缝实验。当然，不排除这种答案，但我们所能做的就是把异样的目光从粒子身上移开，转投到我们永远观察不到的导波身上。

握手

接下来我们要讲“交易诠释”。交易诠释把哥本哈根诠释当成抹布，并强调常识；它非常酷，因此值得一看。

这一次，原始想法来自理查德·费曼，他指出，在量子层面上，物理学的前进和后退是等效的。向左移动的粒子也就是反向向右的粒子，这两个过程是相同的。粒子对于时间的流向没有偏好。激发光子的电子可以看成是反向吸收光子的电子。这两者是等效的。

50年后，物理学教授兼科幻作家约翰·克拉默决定采纳费曼的说法，并更进一步。我想，也可以说是更退一步。

粒子的行为可以被描述成波函数，但记住，它必须取平方才能得到答案。克拉默想知道，我们之所以需要两个完全相同的波函数，是不是因为真的存在两个波函数？但我们只看到了一个，是不是因为它的伙伴在时间上是后退的？

假设我们的粒子到达一个双缝，它的正常波函数（遗憾的是，在学术中它叫“推迟波”）在时间上是前进的，我们可以确定它的路径。但与此同时，探测屏中的粒子正在从未来向我们的粒子发射后退的波函数（“超前波”）。无论未来的哪个粒子恰好发出最强的溯时信号，我们的粒子都会与之相互作用。

克拉默把它想象成商业交易。粒子发出要约，探测器完成确认，接近狭缝的粒子和探测器中的粒子使波函数同步—他称之为“量子握手”，这将导致过去、现在与未来之间的纠缠。

延迟选择量子擦除实验，也就是爱丽丝知道鲍勃将在未来做什么的古怪实验，现在突然变得容易解释了。粒子可以判断它在未来是否会被探测到，因为它收到了来自未来的信息，未来的信息告诉它怎么做。

有趣的是，克拉默说，他并不认为交易诠释摆脱了人类的自由意志。[4]他用超市里买东西的信用卡作类比。信用卡发出要约，银行完成确认，但你自己决定要买什么。

然而，你可以做一番对比。你认为是自己选择买杏仁奶，但实际上你收到了来自未来的信号，那个信号告诉你应该买什么。也许那些你认为是自己做出的决定，都是未来事件的结果，它将引导你在当前的生活中做出选择。你之所以购买本书，是出于自己的选择，还是受到了本章的影响？哇呜（恐怖的叫声）！

我将永远爱休

就在戴维·玻姆发表导波理论的同一年，埃尔温·薛定谔在都柏林做了一次演讲，主题是他为什么仍然不接受哥本哈根诠释。薛定谔解释说，尽管听起来很疯狂，但他的方程从来没有打算描述粒子在测量时才选择某种属性的情况。[5]