《世界觀：現(xiàn)代人必須要懂的科學哲學和科學史》是美國學者理查德?德威特撰寫的科學哲學著作，2018年由機械工業(yè)出版社出版。作者基于費爾菲爾德大學的教學經(jīng)驗，通過圖表輔助與通俗化表述，系統(tǒng)梳理科學認知體系的演進歷程。

全書以科學史為主線，解析人類世界觀從亞里士多德地心說、牛頓經(jīng)典力學到相對論與量子力學的變革過程。第一部分探討科學哲學基礎(chǔ)命題，包括真理本質(zhì)與實證方法；第二部分分析古代至近代科學范式轉(zhuǎn)換，聚焦托勒密至伽利略的理論突破；第三部分評述現(xiàn)代科學對傳統(tǒng)世界觀的沖擊，揭示科學理論與認知框架的動態(tài)發(fā)展。通過跨學科視角，闡釋科學思維如何重構(gòu)人類對世界的理解。

第27章　現(xiàn)實問題：測量難題和量子理論的詮釋

在本章中，我們將探討兩個圍繞量子理論的相互關(guān)聯(lián)的命題。我們將首先研究現(xiàn)在被稱為測量難題的命題。測量難題是伴隨著量子理論出現(xiàn)的命題，量子理論之前的科學理論從來沒有衍生出過這樣的命題，而且與測量難題緊密相關(guān)的是在涉及量子實體的實驗和現(xiàn)象中真正發(fā)生的情況，因此值得在本章討論一下。除此之外，理解測量難題也可以使我們更好地理解與現(xiàn)有量子理論詮釋有關(guān)的多個命題和難點。

測量難題

描述測量難題的方式有很多種，一些方式更具技術(shù)性，而其他方式則不然。在本節(jié)中，我想用一種不那么技術(shù)性的方式來探討這個難題，但同時又能讓你體會到測量在量子理論中所扮演的角色具有某些讓人深感困惑的側(cè)面。測量有一個特點并沒有得到廣泛的理解，我認為，首先明確一下這個特點將有助于我們的討論。

下面是對術(shù)語的一點簡要討論。在本章剩余的篇幅中，當我談到“標準量子理論”時，出現(xiàn)在腦海中的是量子理論數(shù)學的通常方法，也就是我們在第26章中看到的數(shù)學。這是幾乎所有關(guān)于量子理論的教科書和大學課程（物理學專業(yè)課程）中所教授的數(shù)學，也是對有關(guān)量子實體系統(tǒng)進行研究的物理學家所使用的數(shù)學。

測量是什么

讓我們設(shè)想一個特定的測量裝置，比如住宅后門廊里經(jīng)常會放的室外溫度計。此時，我腦海中出現(xiàn)的是一個體積很大、表盤為圓形的溫度計，表盤上有一根指針，指著沿著表盤邊緣排列的一圈數(shù)字，而這些數(shù)字代表的則是室外溫度。

這樣的一個溫度計是我們所認為的測量設(shè)備的范例，可以說明我們把什么樣的物體歸為測量裝置，在這個例子里，也就是用什么樣的裝置來測量室外溫度。概括來說，下面所描述的就是這種測量裝置是如何工作的（或者更準確地說，某種設(shè)計是如何發(fā)揮作用的）。在設(shè)備外殼的里面靠近中央的位置，有一根由兩種金屬材料制成的螺紋金屬條（也就是一根雙金屬條）。金屬會熱脹冷縮，但這兩種金屬熱脹冷縮的幅度不同。因此，氣溫降低時，金屬條上的螺紋會變緊；氣溫升高時，螺紋會變松。如果我們在金屬條中央裝一根指針，螺紋發(fā)生變化時，指針就會移動。如果我們選擇合適的金屬材料，螺紋金屬條的長度、寬度和初始強度也都合適，指針一開始也在正確的位置上，那么我們就得到一個裝置，設(shè)備內(nèi)部發(fā)生的物理變化會讓指針在一定的數(shù)字范圍內(nèi)穩(wěn)定地移動，而這些數(shù)字所指示的就是氣溫。

現(xiàn)在把這個例子與我們不認為是測量裝置的事物對比一下。比如某個露臺家具，假設(shè)就是一把放在溫度計旁邊的露臺折疊椅，有金屬框架及織物座椅和椅背。

請注意，溫度計會因為氣溫變化而發(fā)生一些物理變化，這把椅子也會出現(xiàn)此類的物理變化。就像溫度計里的金屬螺紋會熱脹冷縮一樣，椅子的金屬框架也會熱脹冷縮。溫度計里螺紋的變化會引發(fā)其他變化，比如指針位置的變化；椅子金屬框架的變化也會引發(fā)其他變化，比如椅背的織物會因此變緊或變松。

重點是，溫度計和折疊椅之間不存在根本的物理差異，而這一點對理解測量問題的核心也至關(guān)重要。說到底，溫度計和折疊椅都是存在于這個世界的物體，它們會與自己所處的環(huán)境進行互動，并在對環(huán)境特征進行回應(yīng)時經(jīng)歷物理變化。不過，如果這兩個物體間并不存在根本的物理差異，那么核心問題是：為什么我們認為其中一個是測量裝置，而另一個不是？

我們所能給出的唯一誠實而又準確的答案似乎是，這其中的差異存在于我們自身。我們因為某些原因而對有些物體感興趣，而對其他物體不感興趣。比如，你我都想知道早上的氣溫，從而確定當天該穿什么。因此，我們稱為溫度計的裝置所發(fā)生的物理變化，對我來說是有意義的。相比之下，溫度計旁邊的折疊椅也會發(fā)生同類的物理變化，但我找不到理由讓自己去對這些變化感興趣。

讓我們暫停一下，想想其他類型的測量設(shè)備，就會發(fā)現(xiàn)也存在我們在前面討論的這種情況。舉個例子，我們有一把用來測量長度的木質(zhì)碼尺，還有一把用來攪拌顏料的相同的木質(zhì)碼尺，對比兩者，除了我們對它們的興趣，沒有其他根本性差異。事實上，在我的工作間里，我確實有兩根這樣的碼尺，多年來我一直用其中一把來測量長度，而另一把幾乎只用來攪拌顏料。在這兩個情境中，也就是在測量情境和顏料攪拌情境中，兩把碼尺的物理特性本質(zhì)上是相同的。然而，我們卻會認為其中一把是測量裝置，而另一把是顏料攪拌棒。

總的來說，在物理特性方面，我們認為是測量裝置的物體，與我們認為不是測量設(shè)備的物體相比，并沒有任何實質(zhì)性差異。因此，似乎并不存在一種不依賴于人類興趣的、可以作為原則的客觀方法，來把我們認為是測量裝置的物體與我們認為不是測量裝置的物體區(qū)分開來。很快我們將看到，在過去，這從來沒有造成過任何嚴重的后果。

然而，在面對標準量子理論時，各方面的測量——似乎沒有一種客觀而又獨立的方法來區(qū)分測量設(shè)備和非測量設(shè)備，以及一個物體是不是測量設(shè)備似乎取決于我們自身——就扮演了重要角色。在開始探討測量在量子理論中所扮演的角色前，讓我們首先思考一下測量在其他科學體系中所扮演的角色（或者在其他科學體系中沒有扮演任何角色的情況），比如在牛頓科學體系中，這對我們將很有幫助。

測量在牛頓科學體系中的角色

假設(shè)我們要從一棟高樓房頂拋下一個物體，比如是一個棒球。根據(jù)牛頓物理學我們知道，一旦把棒球拋出，棒球的加速度（直到落地時為止）大約是10米/秒2。因此，棒球下落每多1秒，下落速度就會增加10米/秒。這樣一來，如果我們要在拋出棒球后到棒球落地之間的任何一個時刻來測量棒球的速度，牛頓物理學會告訴我們可以預計得到怎樣的測量結(jié)果。同樣地，如果我們要在拋出棒球后到棒球落地之間的任何一個時刻來標定棒球的位置，牛頓物理學同樣會告訴我們可以預計得到怎樣的測量結(jié)果。

重點是，在這個例子中，測量在整個過程中沒有發(fā)揮任何作用，這在理解與量子物理學相關(guān)的測量問題時也將是核心的一點。也許我們選擇在棒球下落的某個時刻測量其下落速度，或者我們選擇不進行這樣的測量，不管測量與否，這個系統(tǒng)的演變不會有任何不同。

正因如此，在牛頓科學體系以及其他基礎(chǔ)科學的學科中，測量并沒有帶來什么特別的難題。這是因為在這些理論中，盡管測量可以讓我們得到一些自己感興趣的信息，但并不會影響這些理論對某個系統(tǒng)演變的解釋。簡言之，在之前的科學體系和現(xiàn)在除了量子理論的基礎(chǔ)科學中，測量并沒有扮演不尋常的角色。因此，測量也沒有帶來任何問題，也就是說，不存在測量難題。然而，毫無疑問，你一定會猜測在標準量子理論中，測量扮演了一個不一樣的角色。接下來，我們將探討這一點。

測量在量子理論中的角色

在第26章結(jié)尾處我們看到，在量子理論中，狀態(tài)隨時間的演變遵循薛定諤方程式。也就是說，就像前面提到過的從房頂拋棒球的例子，我們可以用前面討論過的牛頓物理學方程式，來預測其中的系統(tǒng)會如何隨時間演變。在量子理論中，薛定諤方程式讓我們可以預測量子系統(tǒng)會如何隨時間演變。

假設(shè)我們有一個實驗設(shè)置，與我們在第26章討論過的那些實驗設(shè)置類似。具體來說，假設(shè)有一個光子槍可以發(fā)射出單個光子，我們向分束器，也就是一塊部分鍍了水銀膜的鏡子，發(fā)射光子，其中大約一半光子會被反射回來，另外一半則會通過分束器。我們將在分束器后面放置兩個光子探測器，為了便于討論，讓我們假設(shè)光子探測器只要探測到一個光子后就會發(fā)出“嗶”聲。這個實驗設(shè)置如圖27-1所示。

假設(shè)我們有一個按鈕，每次按下按鈕，就會向分束器發(fā)射一個光子。對于在這個情境中我們能觀察到什么，不存在任何疑問，也就是每次按下按鈕，探測器A和探測器B中的一個便會發(fā)出“嗶”聲，但兩個探測器永遠不會同時發(fā)聲。除此之外，如果我們在一段時間內(nèi)持續(xù)發(fā)射并探測光子，那么在其中50%的時間內(nèi)，我們將聽到探測器A發(fā)出“嗶”聲，而在另外50%的時間內(nèi)，則會聽到探測器B發(fā)出“嗶”聲。

讓我們再進一步看看量子理論的標準數(shù)學是如何表達這個實驗設(shè)置的。每次按下按鈕后，整個系統(tǒng)的狀態(tài)就會由一個波函數(shù)來代表（我們已經(jīng)在第26章中對這一點進行了詳細討論），具體來說，就是一個表達了一列波正在向分束器運動的波函數(shù)。

在光子到達分束器后，此時，薛定諤方程式所表達的就是處于通常所說的“疊加態(tài)”的光子。當我們說所表達的是處于疊加態(tài)的光子，就相當于說（至少在這個例子里）所表達的是光子處于某種由兩個不同的態(tài)組合而形成的態(tài)中。在這個例子里，組成疊加態(tài)的其中一個態(tài)所表達的是光子為向探測器A運動的一列波，另一個態(tài)所表達的則是光子為向探測器B運動的一列波。

在標準量子理論中，疊加態(tài)無處不在?？偟膩碚f，不管在什么時候，只要一個物理作用可以造成兩個或兩個以上可能的態(tài)，比如這個例子里分束器的實驗設(shè)置，那么薛定諤方程式所表達的就將是一個涉及疊加態(tài)的情境，也就是在這個情境里，那些可能的態(tài)形成了某種組合。

理解了這一點，讓我們思考一下當光子經(jīng)過足夠長的時間到達探測器時整個情境看起來如何?；貞浺幌?，我們在前面討論過，光子探測器只是一個普通物體，與分束器這樣的物體并沒有原則性差異。因此，當光子與探測器之間發(fā)生互動時，這說到底只是又一個物理作用的過程，這個過程似乎會造成兩個可能的態(tài)，兩者并不相同，在這個例子里，其中一個態(tài)是探測器A發(fā)出“嗶”聲，另一個態(tài)是探測器B發(fā)出“嗶”聲。

確實，如果讓薛定諤方程式不受任何干擾地演變，那么此時它所表達的應(yīng)該是這個實驗設(shè)置由一個疊加態(tài)組成，而組成這個疊加態(tài)的是探測器A發(fā)出“嗶”聲和探測器B發(fā)出“嗶”聲所形成的一種組合。

如果此時的描述聽起來開始有些奇怪，那很正常?；貞浺幌拢覀儚膩聿辉^察到兩個探測器同時發(fā)聲。事實上，我們觀察到的是，只有一個探測器（要么是A，要么是B）發(fā)出“嗶”聲。因此，薛定諤方程式所表達的情境與我們觀察到的存在顯著差異。那么，標準量子理論如何應(yīng)對存在于我們自身體驗與薛定諤方程式表達之間的這種差異呢？

為了應(yīng)對這種差異，標準量子理論數(shù)學在我們在第26章所討論的基本數(shù)學內(nèi)容之上，增加了一個額外內(nèi)容，也就是一個額外的基本假設(shè)。這個額外的部分就是通常所說的“投影假設(shè)”（另一個名稱同樣常見，那就是“坍縮假設(shè)”）。

投影假設(shè)背后的思想是，在我們觀察某個測量結(jié)果時，實際上是把我們觀察到的測量結(jié)果，不管是什么，都插入了數(shù)學中。換句話說，在觀察某個測量結(jié)果時，我們就終止了一個由薛定諤方程式所表達的持續(xù)演變的疊加態(tài)；我們插入了一個波函數(shù)，來表達我們所觀察到的測量結(jié)果。接下來（如果這是一個可以繼續(xù)演變的系統(tǒng)），我們重新引入薛定諤方程式，繼續(xù)由這個方程式來表達整個系統(tǒng)的演變。也許，一直到另一個測量過程發(fā)生時，這種狀況才會改變（此時我們將重復本段前面所描述的步驟）。

關(guān)于術(shù)語，要說明一下，此時對整個情境的數(shù)學表達，也就是在一次測量過程之后，使用投影假設(shè)終止了疊加態(tài)，這通常被稱為“波函數(shù)坍縮”，有時也被稱為“波包收縮”。這些名詞可能意味著波函數(shù)的坍縮被看成了一個實實在在的物理過程，在微觀層面發(fā)生的一個過程，而且確實有人是這么說的。不過，就我們的討論而言，此時最好是用工具主義態(tài)度來接受這些術(shù)語，也就是說，運用這些術(shù)語只是為了便于描述整個情境的數(shù)學表達。

因此，測量在標準量子理論數(shù)學中所扮演的角色，完全不同于它在以前各科學體系中或者在現(xiàn)今其他所有基礎(chǔ)學科中所扮演的角色?；貞浺幌挛覀冊谇耙恍」?jié)的討論，在牛頓物理學中，測量并沒有扮演不尋常的角色。

也就是說，在棒球下落的過程中，不管我們是否測量棒球所在位置，都不會給系統(tǒng)帶來變化，這個系統(tǒng)的數(shù)學表達也不會發(fā)生改變。

然而，在標準量子理論中，測量會讓系統(tǒng)發(fā)生變化（或者更確切地說，測量會改變系統(tǒng)的數(shù)學表達）。測量所扮演的這種不尋常的角色引發(fā)了難題。即使用工具主義態(tài)度來看，測量所扮演的角色都很不尋常，因為測量改變了系統(tǒng)的數(shù)學表達（重申一下，把這一點與前面所討論的牛頓物理學的例子進行對比，在牛頓物理學里，測量不會影響對系統(tǒng)的表達）。

但是，如果我們用現(xiàn)實主義態(tài)度來對待標準量子理論數(shù)學，整個情境似乎就顯得非常奇怪了。具體來說，如果我們用現(xiàn)實主義態(tài)度來對待標準量子理論數(shù)學，那么測量就改變了世界原本的樣子。也就是如果我們選擇進行測量，那么世界會呈現(xiàn)出一個樣子；如果我們選擇不進行測量，那么世界將是另一個樣子。簡言之，在標準量子理論中，測量扮演了一個不同于它在以前各個科學體系中或者在現(xiàn)今其他所有基礎(chǔ)學科中所扮演的角色。如前所述，這就帶來了一些難題。

接下來，我們將會詳細討論其中的一些難題，不過在這之前，有一個話題在大多數(shù)關(guān)于量子理論的討論中很常見而又密切相關(guān)，如果我們首先對此進行探討，將會很有幫助。根據(jù)我們到目前為止的討論，你可能忍不住會認為關(guān)于量子理論的奇怪之處，比如疊加態(tài)和測量終止疊加態(tài)的效果，基本上只涉及像光子、電子這樣存在于微觀層面的實體，而與你、我、我們的房子和汽車等所處的宏觀世界無關(guān)。為了表明情況并非如此簡單，讓我們思考一下“薛定諤的貓”，這是一只著名的小動物，暗藏在大多數(shù)關(guān)于量子理論的討論中。在量子理論歷史上，薛定諤的貓是一個著名的例子，它幫助說明了疊加態(tài)的奇怪之處，表明這樣的奇怪之處并不一定僅限于微觀層面，也豐富了與測量難題有關(guān)的命題，在本章剩余的篇幅中，我們將看到，薛定諤的貓幫助表明了我們即將討論的量子理論所詮釋的某些核心特點。因此，薛定諤的貓值得我們深入了解。

薛定諤的貓

在20世紀20年代末，薛定諤發(fā)現(xiàn)自己主導提出的數(shù)學方法存在某些不尋常的方面，這些讓他有些不安。他進行了一個思想實驗，進一步說明了量子理論的某些奇怪之處。順帶解釋一下，思想實驗，顧名思義，是一個要求我們?nèi)踢M行思考而不需要實際操作的實驗。

薛定諤讓我們想象，在一個密封的盒子里有一只貓，同時還有一個微弱的放射源。這個放射源在一小時內(nèi)釋放出一個放射性粒子的概率是50%。如果放射源釋放了一個放射性粒子，這個粒子將會觸發(fā)一個探測器，這個探測器在觸發(fā)之后會打開一小瓶毒藥，這些毒藥可以毒死盒子里的貓。

當然，薛定諤的用意肯定不是要虐待貓。重申一下，這是一個思想實驗，而不是一個要付諸實踐的實驗（如果你思考一下這個實驗，就會發(fā)現(xiàn)這個實驗不會產(chǎn)生任何有趣的數(shù)據(jù)）。實際上，薛定諤的目的是把微觀層面的怪異之處與宏觀層面的事件聯(lián)系起來，同時表明量子理論數(shù)學中特別常見的疊加態(tài)也存在怪異之處。

要理解“薛定諤的貓”的思想實驗，請思考一下稍做了修改的實驗，這個實驗設(shè)置與圖27-1所示的分束器設(shè)置類似。想象一下，我們把圖27-1所示的實驗設(shè)置放入一個不透明的大盒子。與此同時，我們還將把一只貓放進盒子里。

我們會同時把光子探測器A與一小瓶毒藥連接好，但并不連接探測器B，就像薛定諤最初的思想實驗里一樣。也就是說，如果探測器A探測到一個光子，就會打開毒藥瓶，其中的毒藥會使貓中毒致死。另一方面，如果探測器B探測到了一個光子，那么什么都不會發(fā)生。整個實驗設(shè)置就會如圖27-2所示。

假設(shè)整個實驗設(shè)置，包括貓和其他一切，都處在一個密封的盒子里，因此我們看不到也聽不到盒子里面發(fā)生了什么。不過，我們把控制光子槍釋放光子的按鈕留在了盒子外面。

現(xiàn)在，基于這個實驗設(shè)置，假設(shè)我們按了一下按鈕?；叵胍幌拢瑺顟B(tài)隨時間的演變遵循薛定諤方程式，而且光子經(jīng)過一定時間到達探測器，薛定諤方程式所表達的就是處于疊加態(tài)的情境。最初，在薛定諤方程式所表達的情境中，所涉及的兩個態(tài)之一是一列波向探測器A運動，另一個態(tài)是一列波向探測器B運動。一瞬間，光子便到達了探測器，此時疊加的兩個態(tài)之一是探測器A探測到了光子，另一個態(tài)是探測器B探測到了光子。

回想一下，如果探測器A探測到光子，那么毒藥瓶里的毒藥將會釋放出來，結(jié)果貓被毒死了；如果是探測器B探測到了光子，那么貓就會安然無恙。

因此，接下來，由薛定諤方程式所表達的處于疊加態(tài)的情境就會涉及兩個態(tài)：一個是貓死了；另一個是貓安然無恙。換句話說，直到我們決定打開盒子進行觀察時，標準量子理論數(shù)學所表達的是，貓?zhí)幱谏c死的疊加態(tài)中。

同樣地，與圖27-1中所討論的光子疊加態(tài)相比，這并沒有原則性差異。然而，我們在前面提到過，薛定諤將微觀層面的奇怪之處轉(zhuǎn)移到了宏觀層面。同時，這個例子生動地凸顯了量子理論中疊加態(tài)概念的奇怪之處，也體現(xiàn)了測量難題及不同的量子理論詮釋的多個方面。接下來，我們將探討這些話題。

測量難題

如果通過前面的討論，你已經(jīng)對測量在標準量子理論中所扮演的不尋常的角色有了一些體會，也發(fā)現(xiàn)了如果存在什么因素可以將測量設(shè)備與非測量設(shè)備區(qū)分開來，但對這樣的因素進行描述也是非常困難的，此時你可以算是對測量難題已經(jīng)有了大致的了解。在這里，我的主要目的是再詳細闡述一下這個難題，讓你了解論述測量難題通常都有哪些不同的方式。

主觀性與客觀性

我們在前面看到測量在標準量子理論數(shù)學中扮演了一個核心角色，而且這個角色與它在以前各個科學體系中或者現(xiàn)今其他所有基礎(chǔ)學科中所扮演的角色相比都有所不同。如前所述，即使完全用工具主義態(tài)度來看待，測量在標準量子理論中所扮演的角色仍然有些不尋常。不過，從工具主義者的角度來看，測量并不是一個主要問題，因為毫無疑問，標準量子理論在給出準確預言方面表現(xiàn)得異常出色。

但是，如果我們試圖用現(xiàn)實主義態(tài)度來解讀標準量子理論就會遇到一個難題，或者說，事實上是我們在面對難題時陷入了困境。回想一下，我們在前面討論過什么可以算是測量，以及一個物體是否可以歸類為測量設(shè)備，這些問題的答案似乎注定是主觀的，也就是說，它們依賴于我們的興趣。然而，在一個漫長的歷史時期里，我們一直把基礎(chǔ)科學，也就是物理、化學和類似學科都看作研究客觀世界的科學，這個客觀世界是獨立于我們的，以一種客觀的、不依賴于我們興趣的方式向前發(fā)展。但是，到了標準量子理論，情況似乎不一樣了，在這門學科里，我們的興趣和測量似乎可以對這個世界產(chǎn)生影響（至少從現(xiàn)實主義的角度來看如此）。正如前面提到過的，如果我們選擇進行測量，世界將會是一個樣子，如果我們選擇不進行測量，那么世界又會呈現(xiàn)另一種樣子。重申一下，至少從現(xiàn)實主義角度來看，這似乎有令人深感不安問題。物理學家約翰·貝爾（John Bell，1928—1990，我們將在第28章中詳細探討貝爾的一個主要發(fā)現(xiàn)）在一篇名為《反“測量”》的論文中對此進行了如下描述。順帶提一下，當貝爾談到“奮力一躍”時，他所指的是我們在前面討論過的波函數(shù)坍縮（重申一下，在標準量子理論中，波函數(shù)在測量發(fā)生時產(chǎn)生坍縮）。

究竟是什么讓某些物理系統(tǒng)有資格扮演“測量者”的角色？這個世界的波函數(shù)是不是在數(shù)十億萬年間一直時刻準備著，只為在一個單細胞生物產(chǎn)生之時奮力一躍？還是波函數(shù)還要等得再久一點，直到更有資格的生物出現(xiàn)，比如取得了博士學位的生物？（Bell，1990,p.34）

當然，貝爾的這段話多少有些戲謔，然而他的觀點應(yīng)該是很清晰的。對標準量子理論的現(xiàn)實主義詮釋想要表達的似乎是，如果沒有測量，比如在有能力進行測量的生物出現(xiàn)之前，這個世界就不可能以任何確定的狀態(tài)存在。只有在有能力進行測量的生物出現(xiàn)以后，才出現(xiàn)了具有確定特性的世界，這個世界（或者說是這個世界的一部分）只有在測量或觀察發(fā)生之時才最終確定下來。

重申一下，我們通常認為科學是關(guān)于客觀世界的，而這個客觀世界的存在和發(fā)展都不依賴于像我們這樣的生物所進行的觀察。因此，對標準量子理論的現(xiàn)實主義詮釋與我們通常的觀點背道而馳。

測量情境與非測量情境

另一種表述測量難題的常見方法是，從給出（或者通過表明無法給出）一種原則性方法來區(qū)分測量情境和非測量情境?；貞浺幌?，在非測量情境中，我們應(yīng)該用薛定諤方程式，而在測量情境中，我們不再使用薛定諤方程式，而是調(diào)用坍縮假設(shè)。因此，標準量子理論需要對測量過程和非測量過程進行區(qū)分。

但是，回憶一下我們在本章前面所進行的討論。當時我們強調(diào)，在我們認為是測量裝置的物體與認為是非測量裝置的物體之間，并沒有根本性的物理差異。同樣地，在我們認為是測量過程的情境和認為是非測量過程的情境之間，也不存在根本性的物理差異。因此，我們無法通過原則性的客觀方法來找出標準量子理論數(shù)學所依賴的差異，也就是測量情境和非測量情境之間的差異。

系統(tǒng)與設(shè)備：宏觀層面和微觀層面

測量難題的另一種（也是緊密相關(guān)的）表述方式是，通過強調(diào)標準量子理論假定了一個存在于系統(tǒng)與裝置之間的差異來對這個難題進行描述。也就是說，標準量子理論假定，在涉及量子實體的系統(tǒng)和用來對這一系統(tǒng)進行測量的裝置之間存在一個差異。在標準量子理論中，系統(tǒng)被表達為按照薛定諤方程式進行演變，而測量裝置則被認為按照經(jīng)典的牛頓科學體系模式進行演變。

或者換個稍微有些不同的說法，在一個涉及量子系統(tǒng)的測量過程中，標準量子理論要求我們把由電子、光子等量子實體所組成的微觀層面，與由指針、讀數(shù)設(shè)備這樣的物體所組成的宏觀層面區(qū)分開來。同樣地，前者被表達為按照薛定諤方程式進行演變，而后者則不然。

然而，我們在前面遇到過的難題再次出現(xiàn)了。也就是說，在系統(tǒng)和設(shè)備之間，不存在根本性的物理差異，或者說，在微觀層面和宏觀層面之間不存在這樣的差異。因此，似乎不存在一種原則性的客觀方法來找到標準量子理論所需的差異。

普遍性

最后，還有一個十分相關(guān)的命題值得簡要一提，這就是涉及普遍性的命題?；貞浺幌?，在前面幾章我們討論過，愛因斯坦狹義相對論的缺點之一就是它的適用范圍不夠廣泛，也就是說，只有在滿足了某些特殊條件后（必須只涉及勻速直線運動）才能應(yīng)用狹義相對論。我們也看到了，愛因斯坦后來花了10年時間來解決這個問題，最終發(fā)展出了一個特別成功的理論——可以適用于一切情境的廣義相對論。

同樣地，牛頓物理學與亞里士多德物理學相比，優(yōu)勢之一就是它的普遍適用性?；貞浺幌?，亞里士多德物理學中對月下區(qū)里元素運動（向著元素本身的天然位置做直線運動）的描述與對月上區(qū)里元素運動的描述（元素以太做勻速圓周運動）是有所不同的。相比之下，牛頓物理學中的定律都具有普遍適用性。萬有引力之所以如此命名，正是因為它被認為是可以普遍適用的，也就是可以適用于宇宙中的各個角落。對于基本運動定律，情況也是如此。牛頓物理學基本運動定律的普遍適用性，從過去到現(xiàn)在一直都被認為是牛頓科學體系相較于亞里士多德科學體系的主要優(yōu)勢之一。

“基礎(chǔ)理論中的定律應(yīng)該可以普遍適用”，已經(jīng)成為我們想從基礎(chǔ)理論中得到的觀點。不過，鑒于這與標準量子理論有關(guān)，我想你可以看出其中的問題。在量子理論中處于核心地位的薛定諤方程式并不是一個可以普遍適用的定律。事實上，這個方程式只適用于某些特定情境。我們在前面已經(jīng)看到，我們有很多種方式來描述這些情境，比如非測量情境、微觀層面情境或涉及系統(tǒng)的情境，與之相對的則是用于測量這一系統(tǒng)的設(shè)備。不過說到底，在標準量子理論中，薛定諤方程式不能夠普遍適用，這與自牛頓以來我們所有基礎(chǔ)學科中的基本定律都有所不同?；蛘邠Q句稍微有些不同的話來說，標準量子理論放棄了“定律應(yīng)該普遍適用”的特點，而這個特點是牛頓科學體系建立以來所有基礎(chǔ)學科最基本的特點之一。

有關(guān)測量難題的總結(jié)思考

測量難題是標準量子理論非常讓人困惑的一個方面。我們在前面看到了，對待測量難題有許多不同的方式。不過，這些方式全都圍繞同一個命題，也就是，在標準量子理論中，測量所扮演的角色不同于它在其他基礎(chǔ)學科中所扮演的角色，而且這個角色如果放到其他基礎(chǔ)學科里，似乎并不合適。讓我們再次引用貝爾的一段話：

下面這些詞，不管在應(yīng)用時有多么合理，多么必要，但在任何想要體現(xiàn)物理精度的表達中都不能使用：系統(tǒng)、儀器、環(huán)境、微觀的、宏觀的、可逆的、不可逆的、可觀察的、信息、測量。（Bell，1990,p.34）

請注意，當用工具主義態(tài)度對待標準量子理論時，貝爾并沒有持批判態(tài)度。貝爾本人是物理學家，在日常工作中要使用標準量子理論。他指出，在應(yīng)用量子理論時，有時需要使用這些詞語和概念，比如在應(yīng)用量子理論解決問題并對涉及量子實體的情境做出預言時。重申一下，作為一門預言科學，標準量子理論已經(jīng)取得了極大的成功。事實上，貝爾的觀點是，如果要用現(xiàn)實主義態(tài)度來對待我們的基礎(chǔ)學科，那么這些詞語和概念不應(yīng)該是任何此類學科的基礎(chǔ)組成部分。

回憶一下，如果用工具主義態(tài)度對待標準量子理論，那么測量難題就不會出現(xiàn)。然而，如果要用現(xiàn)實主義的態(tài)度來看，測量問題則被廣泛認為是主要問題之一。事實上，對不同類別的量子理論詮釋來說，它們的主要區(qū)別就直接源自用哪種方法來解決測量難題。在本章最后一節(jié)里，我們將討論幾種最常見的量子理論詮釋。

量子理論的詮釋量子理論詮釋主要涉及關(guān)于“已知事實背后潛藏著怎樣的現(xiàn)實”的觀點。在本章中，我們不會對現(xiàn)有的所有詮釋都一一探討，而是僅討論幾個最常見的詮釋。

我們可以很方便地用前面對測量難題的討論來對不同的量子理論詮釋進行大致分類。具體來說，我們要討論的詮釋將被分為坍縮詮釋和無坍縮詮釋。

坍縮詮釋總體上接受了標準量子理論數(shù)學，包括坍縮（或投影）假設(shè)?；貞浺幌?，在標準量子理論數(shù)學中，測量發(fā)生時，就會出現(xiàn)波函數(shù)坍縮，此時薛定諤方程式無法再用，而應(yīng)開始使用坍縮假設(shè)。這樣一來，坍縮詮釋必須對測量情境和非測量情境進行區(qū)分，因此，所有坍縮詮釋都繼承了我們前面所看到的與測量難題相關(guān)的困難命題。

相比之下，無坍縮詮釋摒棄了“波函數(shù)坍縮扮演基礎(chǔ)性作用”的觀點，同時也不再應(yīng)用坍縮假設(shè)。接下來我們將看到，不同的無坍縮詮釋用不同的方式實現(xiàn)了這一點。所有這樣的詮釋都因此擁有了一個巨大優(yōu)勢，那就是避免了與測量難題相關(guān)的命題。然而，這些詮釋在享有優(yōu)勢的同時也付出了代價，正如接下來我們將看到的，這些詮釋具有某些在很多人看來非常討厭的特點。

所有可行的量子理論詮釋，不管是坍縮詮釋還是無坍縮詮釋，都具有一些讓大多數(shù)人覺得奇怪的特點。在本章結(jié)尾處我將指出，你對量子理論詮釋的偏好選擇，說到底就是什么樣的奇怪特點讓你覺得最不成問題。理解了這一點，我們將首先概括介紹一下最常見的坍縮詮釋，然后思考某些常見的無坍縮詮釋。

坍縮詮釋

最常見的坍縮詮釋，就是從通常所說的哥本哈根詮釋（或“標準詮釋”）變形而來。這兩個名字都相當有誤導性，因為并不存在一個單一的、可以稱得上是標準詮釋或哥本哈根詮釋的詮釋。事實上，這類詮釋的支持者在一個總的命題上意見統(tǒng)一，但當涉及其他命題時，他們的觀點就存在不容小覷的差異了。首先，讓我們討論一下這些支持者會一致同意的那個命題。

讓我們思考一個有關(guān)量子實體的簡單設(shè)置。假設(shè)有一個小盒子，里面有一個電子，小盒子被分成了兩部分，分別標為A和B，假設(shè)標準量子理論數(shù)學告訴我們，如果對電子位置進行測量，那么我們在A部分探測到電子的概率是50%，在B部分探測到電子的概率也是50%。

假設(shè)我們問標準詮釋（或哥本哈根詮釋）的支持者，在這個情境中，在測量前，到底是什么情況？在測量前，電子真正的位置在哪里？或者我們可能會提出關(guān)于電子其他屬性的類似問題。比如，在測量前，電子的動量是多少？電子的自旋如何？等等此類的問題。

標準詮釋的支持者通常認為前面這些問題沒有答案。然而，重點是，根據(jù)標準詮釋，我們無法回答量子實體在測量前具有怎樣的屬性，并不僅是因為我們不知道這些屬性的情況，這一點對理解我們這里的討論很關(guān)鍵。這并不僅是無知，而是不知道。事實上，根據(jù)標準詮釋，不存在需要知道的情況。這些屬性在測量前并不存在。根據(jù)這一詮釋，不存在一個由在測量前就有確定屬性的物體所組成的深層次的獨立現(xiàn)實。

這是一個非常反直覺的觀點，所以值得我們花點時間來搞清楚。假設(shè)我告訴你我口袋里有一些硬幣，你可能不知道我口袋里硬幣的數(shù)量是多少，但我相信你認為這個數(shù)量是一定的?？赡苁莾蓚€、三個或八個，不管確切數(shù)字是幾，你都毋庸置疑地相信，關(guān)于我口袋里有多少硬幣存在一個確定、獨立的現(xiàn)實。

這就是日常生活中信息缺失的一個例子。你說不出我口袋中有多少硬幣，因為你完全不知道有多少。重點是，這并不是標準詮釋中所涉及的那種信息缺失。根據(jù)標準詮釋，不存在需要了解的信息，比如，在測量前，電子沒有確定的位置，也沒有確定的自旋，等等。

標準詮釋的支持者并不是否認現(xiàn)實的存在。也就是說，存在一個現(xiàn)實，存在量子實體，有一個電子就在“那里”。然而，一般來說，那個電子以及其他量子實體，在被測量之前，并不具有確定的屬性。事實上，根據(jù)標準詮釋，進行測量的過程才讓被測量的屬性確定了下來。

為準確起見，我必須指出，每個人，包括標準詮釋的支持者，都認為量子實體具有少量不受測量影響的屬性。這些屬性，比如質(zhì)量，通常被稱為“靜態(tài)屬性”。然而，根據(jù)標準詮釋，除了少數(shù)幾個靜態(tài)屬性，量子實體的其余屬性在測量之前都不存在。

簡言之，盡管存在一個現(xiàn)實，但組成這個現(xiàn)實的并不是在測量之前就具有某些確定屬性的量子實體。讓我們花點時間來體會一下測量在這一類量子理論詮釋中所扮演的核心角色。從字面上來說，根據(jù)這一詮釋，測量行為就改變了世界的面貌。在測量之前，世界是一種面貌，而在測量之后，世界變成了另一種面貌。再強調(diào)一下前面提到過的一點，也就是，根據(jù)這一詮釋，變化的并不是我們對這個世界的認知，事實上，發(fā)生變化的是這個世界的面貌。

在這個對標準詮釋的概述性描述中，存在幾個可能的流派。我們已經(jīng)注意到，根據(jù)標準詮釋，量子實體在測量發(fā)生之前不具有屬性。然而，什么算是量子實體？到目前為止，我們在對量子實體舉例時使用過電子、光子、放射衰變釋放出的粒子，以及與此類似的物質(zhì)，每個人都認為這些都算是量子實體。

然而，請不要忘了，可以說所有物體都是由這些基本實體構(gòu)成的，別無他物。在測量難題之前的那一節(jié)里，我們已經(jīng)討論過，似乎不存在一種原則性的客觀方法來把包括電子、光子及類似物質(zhì)在內(nèi)的微觀層面實體，與包括你、我、巖石、椅子和其他一切普通物體在內(nèi)的宏觀層面實體區(qū)分開來。因此，完全可以說“量子實體”所指的實際上應(yīng)該是一切物體。無論如何，請注意，對“什么算是量子實體”的問題，答案既不簡單也并非沒有爭議，而且這個問題的答案也不是唯一的。

同樣地，回憶一下，在關(guān)于測量難題的那一節(jié)中我們討論過，似乎不存在一種原則性的客觀方法來區(qū)分測量過程和非測量過程。因此，“什么算是測量”同樣不是一個簡單的問題。簡言之，對于這兩個問題，也就是“什么算是量子實體”和“什么算是測量”，不存在唯一且毫無爭議的答案。根據(jù)如何回答這些問題，可以得到標準詮釋的不同流派。

標準詮釋的各個流派都認為當測量發(fā)生時，“波函數(shù)的坍縮”使物體在測量之前并不確定的屬性確定了下來。因此，所有流派都包括了一個觀點，那就是，從某種意義上說，現(xiàn)實依賴于測量，我將用“現(xiàn)實依賴于測量”來命名這些不同流派，并把它們分為溫和、適度和激進三個類別。接下來，我們將開始對標準詮釋或者說哥本哈根詮釋的這些變形進行討論。

現(xiàn)實依賴于測量的溫和派觀點

根據(jù)這個溫和派的觀點，“量子實體”指的只是最基本的粒子，比如電子、中子、質(zhì)子、種類眾多的亞原子粒子、光子和放射衰減過程所釋放的粒子等。也就是說，能算作量子實體的只有宇宙最基本的“物質(zhì)”，而且只有這個最基本的層面是在測量發(fā)生之前不存在確定屬性的。這里讓我重復一下前面這一點。這一流派以及其他流派的支持者并不是說在測量之前什么都不存在，然后測量使現(xiàn)實從無到有。事實上，他們認為，存在一個獨立于測量的現(xiàn)實，然而考慮到宇宙最基本的組成部分，這個現(xiàn)實在很大程度上是不確定的現(xiàn)實。回到我口袋里硬幣的例子，這就好比說，“對，我的口袋里有硬幣，但是硬幣數(shù)量并不確定，硬幣的形狀和大小也不確定”。也就是說，存在一個由硬幣組成的現(xiàn)實，但是這個現(xiàn)實不具備任何確定的屬性。

把這個類比運用到量子層面，“現(xiàn)實依賴于測量”的溫和派認為，存在一個由電子、光子等類似物質(zhì)組成的現(xiàn)實，但是這個現(xiàn)實在很大程度上是一個不確定的現(xiàn)實。電子既不在這里也不在那里，它們既沒有這種自旋也沒有那種自旋，等等，這種狀態(tài)會一直持續(xù)到對這些屬性進行測量之時。只有在測量時，這些實體才能獲得確定的屬性。

至于“什么算是測量設(shè)備”的問題，這一流派給出的答案非常寬泛。舉個例子，在薛定諤的貓的情境中，測量設(shè)備包括光子探測器、貓的聽覺系統(tǒng)，以及我們打開盒子對光子探測器和貓進行觀察的行為。

至于薛定諤的貓的例子，請注意，根據(jù)這一流派的解釋，首次測量發(fā)生在光子抵達探測器的時候。此時，波函數(shù)發(fā)生了坍縮，疊加態(tài)結(jié)束。根據(jù)這一解釋，疊加態(tài)在還沒能進入宏觀層面之前就結(jié)束了，因此，實體處于疊加態(tài)的這種奇怪現(xiàn)象就僅限于微觀層面了。

簡言之，根據(jù)“現(xiàn)實依賴于測量”的溫和派詮釋，只有基本粒子，比如電子、光子和放射衰減過程所釋放出的粒子等，可以處于疊加態(tài)。而且，幾乎任何一種測量都足以使波函數(shù)坍縮。粗略地說，仍存在大量有關(guān)量子的怪異之處，但是根據(jù)這一流派的解釋，這些怪異之處僅存在于微觀層面。

現(xiàn)實依賴于測量的適度派觀點

前面所討論的“現(xiàn)實依賴于測量”的溫和派認為，只有基本粒子才算是量子實體。然而，大概所有物體都是由這樣的粒子所組成的。比如，你面前桌子上的咖啡杯，實際上正是由這些基本實體組成的。因此，完全有理由認為，如果咖啡杯僅由量子實體組成，那么咖啡杯本身應(yīng)該同樣被看作一個量子實體，盡管與基本粒子相比，它個頭更大，也更為復雜。

如果我們寬泛地回答“什么算是量子實體”，也就是說，把所有物體都算作量子實體，那么至少避免了“現(xiàn)實依賴于測量”的溫和派所面臨的部分問題，也就是說，我們不必堅持認為微觀和宏觀層面存在原則上的差異。

因此，根據(jù)這一流派的詮釋，原則上來說，幾乎任何物體都可以處于疊加態(tài)，于是，量子的某些奇怪之處就上升到了宏觀層面。然而，對于“什么算是測量”的問題，“現(xiàn)實依賴于測量”的適度派的詮釋與“現(xiàn)實依賴于測量”的溫和派的詮釋一樣，都采取了一種寬泛態(tài)度。因此，盡管從原則上講幾乎任何物體都可以處于疊加態(tài)，但是，測量結(jié)果通常足以在我們或其他生物能夠體會到這些疊加態(tài)之前就讓疊加態(tài)發(fā)生坍縮。讓我們把薛定諤的貓作為一個實際的例子，根據(jù)這一流派的詮釋，光子探測器和貓等都被算作量子實體，因此原則上可以處于疊加態(tài)。然而，考慮到這個流派對“什么算是測量”的問題持寬泛態(tài)度，光子探測器足以在貓進入生與死疊加態(tài)之前就使波函數(shù)發(fā)生坍縮。

現(xiàn)實依賴于測量（現(xiàn)實依賴于意識）的激進派觀點

假設(shè)為與前面提到的適度派觀點保持一致，對于“什么算是量子實體”的問題，我們采取一種寬泛態(tài)度，也就是任何物體都算量子實體。然而，假設(shè)對于“什么算是測量”的問題，我們則采取了一種不那么寬泛的態(tài)度。具體來說，假設(shè)我們認為只有涉及人類意識的過程才是真正的測量。舉個例子，在薛定諤的貓的情境中，只有當我們打開盒子看探測器和貓的時候，第一次測量才發(fā)生。

這是一個更為激進的流派，因為在這一流派的詮釋中，只有出現(xiàn)了人類的觀察行為，波函數(shù)才發(fā)生坍縮。因此，任何情境在未經(jīng)觀察時都處于疊加態(tài)，比如，貓可以處于生死疊加態(tài)等。簡言之，整個世界在未經(jīng)人類觀察時，并不存在確定的狀態(tài)，未經(jīng)觀察的物體并不是確定地存在于某個特定位置，等等。

什么因素會促使人們選擇這種激進的態(tài)度來看待世界呢？答案與我們在本章第一節(jié)中的關(guān)注點緊密相聯(lián)，也就是測量難題。讓我們再思考一下薛定諤的貓的情境。正如在前面討論過的，在我們認為是測量設(shè)備的物體上所發(fā)生的物理過程同其他物理過程相比，似乎屬于同一類。因此，很難讓人相信這樣的過程可以使波函數(shù)發(fā)生坍縮。如果，我是說讓我們勇敢地假設(shè)，你認為人類意識所涉及的過程與其他過程在類型上是不同的，而且對此深信不疑，那么在一系列連續(xù)發(fā)生的事件中，也就是從一個光子的釋放開始，到我們打開盒子，觀察里面有什么，由人類意識進行的觀察確實是唯一一個與其他事件不同類型的事件。因此，這里自然就是波函數(shù)發(fā)生坍縮的時刻，或者至少對某些支持這一流派的詮釋的人們來說，似乎確實如此。

無坍縮詮釋

對所有坍縮詮釋來說，包括前面討論過的標準詮釋（或哥本哈根詮釋）的各個流派，測量流派都是個大問題?；貞浺幌拢瑯藴试忈尩闹С终哒J為波函數(shù)在測量發(fā)生之時坍縮，因此這些詮釋就要面臨與測量難題相關(guān)的一切命題，包括可能無解的“測量過程與非測量過程存在怎樣的原則性差異”的問題、測量中涉及的主觀性，以及難以區(qū)分微觀層面和宏觀層面的問題等。

我們接下來要討論的詮釋都不再認為波函數(shù)的坍縮是基礎(chǔ)，因此我把它們歸類為無坍縮詮釋。相應(yīng)地，這些詮釋也都不認為測量發(fā)揮了任何不尋常的作用。因此，這些詮釋的優(yōu)勢是避免了測量難題（而且事實上，從很大程度上說，正是測量難題所帶來的困擾才促使這些不同類型的詮釋出現(xiàn)）。

不同的無坍縮詮釋用不同的方法來避免測量難題。然而，正如在前面提示過的，無坍縮詮釋的支持者通過引入別的奇怪因素來避免測量難題的奇怪之處。接下來我們將看到，不同的詮釋所引入的奇怪因素都是不同類型的?，F(xiàn)在，讓我們概括了解一下現(xiàn)有主要幾類無坍縮詮釋。

愛因斯坦實在論

我必須從一開始就強調(diào)愛因斯坦的詮釋，或者說至少這個詮釋中對愛因斯坦來說最為重要的核心部分，已經(jīng)無法適用于某些新發(fā)現(xiàn)的量子事實了（我們將在第28章探討這一點）。因此，這個詮釋已經(jīng)站不住腳了。盡管如此，愛因斯坦的觀點仍然值得討論，部分原因在于它在有關(guān)量子理論詮釋的早期爭論中所扮演的歷史性角色。同時，同樣值得一提的是，愛因斯坦的觀點從性質(zhì)上說更偏向于一種常識性觀點，我認為大部分人都更愿意接受此類觀點，因此值得討論，這樣我們就可以看到為什么常識性觀點現(xiàn)在已經(jīng)站不住腳了。

愛因斯坦的解讀是一種隱變量詮釋。總的來說，隱變量詮釋認為，我們在第26章所探討的數(shù)學最多也只是不完整的理論。用愛因斯坦的話來說，該數(shù)學沒有考慮“現(xiàn)實因素”。根據(jù)這個詮釋，需要做的就是用現(xiàn)在所說的“隱變量”，也就是能補全現(xiàn)有數(shù)學已知的不完整之處的額外因素，來對標準量子理論數(shù)學進行補充。我們將研究隱變量詮釋的兩個主要流派，從愛因斯坦的流派開始。

愛因斯坦主要是在回應(yīng)前面討論過的標準詮釋（或哥本哈根詮釋）的支持者?；貞浺幌?，根據(jù)標準詮釋，量子實體在被測量之前都不具有確定的屬性。

同樣地，根據(jù)標準詮釋，不僅是我們不知道這些屬性，實際上量子實體根本就不具有這些屬性。愛因斯坦認為，量子實體在被測量之前肯定具有確定的屬性。他所深信不疑的是，現(xiàn)實肯定是一個確定的現(xiàn)實，其中的物體，包括量子實體在內(nèi)，不管是否被測量，都具有確定的屬性。因此，對愛因斯坦來說，不可能存在疊加態(tài)，而且從實在論者的角度來看，也不存在波函數(shù)坍縮。

讓我們再想想我口袋中硬幣的例子：常識告訴我們，即使不知道我口袋中硬幣的具體數(shù)量是多少，但這些硬幣的數(shù)量肯定是確定的。同樣地，愛因斯坦也認為，常識告訴我們，在對量子實體的屬性進行任何測量之前，量子實體肯定一直都具有其屬性，不是疊加的屬性，而是確定的屬性。

然而，標準量子理論數(shù)學所表達的并不是量子實體在測量發(fā)生之前就具有屬性。正是基于這一點，愛因斯坦認為量子理論數(shù)學一定是不完整的，存在量子理論沒有抓住的“現(xiàn)實因素”，比如在測量之前就具有確定屬性的量子實體。因此，愛因斯坦認為，需要有一個新的理論來取代量子理論，這個新的理論不僅可以做到量子理論所做的，還將包含現(xiàn)有量子理論中不存在的、可以反映這些現(xiàn)實因素的“隱變量”。對于應(yīng)如何對量子理論進行補充，愛因斯坦并沒有給出特別明確的建議，但是他確信量子理論需要得到補充。

我們將在第28章中進一步討論愛因斯坦的觀點，以及讓這個觀點遇到問題的新事實。在這里，我們只是重申一下，總的來說，愛因斯坦的詮釋是一種常識性詮釋，而且這個詮釋的關(guān)鍵因素已不再與已知事實相符合。因此，愛因斯坦的詮釋以及其他類似詮釋，只要是與某些有關(guān)宇宙如何運轉(zhuǎn)的廣受認可的觀點相一致，都已經(jīng)站不住腳了。

玻姆實在論

從20世紀40年代末到50年代，大衛(wèi)·玻姆（1917—1992）對量子理論數(shù)學進行了修正。玻姆的數(shù)學和對這個數(shù)學的詮釋就是我們要探討的第二種隱變量詮釋。值得一提的是，物理學家路易·德布羅意（1892—1987）曾在20世紀20年代末提出過類似的觀點，因此這些觀點有時也被稱為德布羅意-玻姆理論。

接下來，讓我們簡要探討玻姆觀點中的某些關(guān)鍵點。

第一，值得注意的是，玻姆數(shù)學與標準量子理論數(shù)學似乎做出了相同的預測，因此，兩種方法之間并不存在可實際測得的差異。然而，與標準量子理論數(shù)學不同，在玻姆數(shù)學中處于核心地位的基本假定中并沒有坍縮假設(shè)，也就是說，玻姆數(shù)學并不涉及會在測量過程中發(fā)揮作用的特殊假設(shè)。因此，在玻姆數(shù)學中，測量并不像在標準量子理論數(shù)學中那樣扮演一個特殊角色。這樣一來，玻姆數(shù)學就避免了我們在前面討論測量難題時所遇到的一切命題。

總的來說，玻姆詮釋所展示的潛在現(xiàn)實與量子理論標準詮釋（或哥本哈根詮釋）所給出的，是不同的?；貞浺幌挛覀冊谇懊娴挠懻摚鶕?jù)標準詮釋，量子實體在測量之前不具有確定的屬性，比如位置。相比之下，玻姆認為量子實體是粒子，每個量子實體在任意給定的時間點都具有十分確定的位置，而且會受到通常所說的“引導波”（有時也被稱為“導頻波”）的影響。因此，根據(jù)玻姆的觀點，量子實體確實具有不依賴任何測量而存在的確定位置。這樣一來，我們所缺少的信息，比如某個電子的位置，就不是由于電子在測量之前沒有確定位置而導致的了；事實上，在這里，我們不知道電子的位置，就與在前面那個例子里不知道我口袋里有多少枚硬幣一樣，屬于同一類型的情況。

至于薛定諤的貓這一思想實驗，由于光子在測量之前具有確定的位置，那么到底是探測器A還是探測器B探測到了光子（盡管我們只有在打開盒子的時候才會知道），僅會存在一個事實。因此，根據(jù)玻姆的詮釋，不存在處于生死疊加態(tài)的貓，存在的只是我們不知道到底出現(xiàn)了哪種情況。

此時，很有可能出現(xiàn)的一個問題是，如果玻姆的觀點在預測能力上與通常量子理論的詮釋相同，而且如果根據(jù)玻姆的觀點，我們可以把潛在現(xiàn)實看作我們大多數(shù)人更為習慣的且已有明確定義的現(xiàn)實，那么為什么玻姆的觀點不是標準觀點呢？也就是說，為什么玻姆的角度，也就是玻姆的詮釋，是一種少數(shù)派觀點呢？為什么這個觀點沒有被廣泛接受呢？

圍繞玻姆詮釋的命題都很復雜，也很有趣，而且要回答上述問題，也并不容易。然而，對于這些問題，我將提出兩個粗略（并不全面）的答案。第一，請注意，無法證明玻姆數(shù)學優(yōu)于現(xiàn)有數(shù)學。重申一下，玻姆數(shù)學與標準量子理論數(shù)學所做的預測似乎是相同的?；貞浺幌拢瑯藴柿孔永碚摂?shù)學在玻姆提出修正方案時已經(jīng)存在多年。物理學家已經(jīng)習慣了現(xiàn)有數(shù)學。然而，現(xiàn)在玻姆提出了另一種數(shù)學。不過，由于玻姆數(shù)學沒有做出新的預測，也就不能證明它比當時已有的數(shù)學更好。因此，從實用的角度來看，并沒有什么強有力的理由讓玻姆數(shù)學來替代已有的數(shù)學。由于玻姆對量子理論的詮釋與他自己提出的量子理論數(shù)學緊密相聯(lián)，我懷疑是因為玻姆數(shù)學沒有特別受歡迎，才導致玻姆詮釋也沒有太多人問津。

第二，盡管玻姆數(shù)學可以得到與標準數(shù)學相同的預言，但是玻姆數(shù)學所構(gòu)建出的詮釋是否會比標準詮釋問題更少，答案還不明朗。簡單來說，目前已發(fā)現(xiàn)的一個問題是，在對待玻姆體系中的核心因素時，最主要的就是看待引導波和“量子實體是在任何給定時點都具有確定位置的粒子”的觀點時，必須用現(xiàn)實主義態(tài)度。值得強調(diào)的是，如果不認為這些因素所表達的是真實存在的事物，那么就完全沒有理由來選擇玻姆體系了。也就是說，如果你采用工具主義態(tài)度來對待量子理論，那么可能就會堅持大多數(shù)物理學家所使用的標準數(shù)學。

然而，如果用現(xiàn)實主義態(tài)度來看待，玻姆理論是否就可以與愛因斯坦相對論相吻合了呢？答案也還不明朗。首先，玻姆的引導波需要比光速更快的作用（針對這類比光速更快的作用，標準術(shù)語是“超光速作用”），而通常的觀點是玻姆體系中的超光速作用與愛因斯坦相對論相矛盾。

除此之外，玻姆體系似乎需要一個非常強大的同時性概念，而這個概念很可能與愛因斯坦相對論不一致。回憶一下，玻姆需要所有粒子在任意給定時點都具有確定的位置。但是在前幾章中我們看到，根據(jù)愛因斯坦相對論，對一個物體在什么時點位于什么位置的問題，并不存在唯一正確的答案，而是取決于采用哪個參考系。因此，玻姆體系的這一點似乎與我們在第23章所討論的同時性的相對性相矛盾。

簡言之，玻姆體系與相對論之間的矛盾是廣為人知的，如果必須在玻姆詮釋和愛因斯坦相對論之間做出選擇，毫無疑問，相對論會勝出。然而，值得一提的是，與其他詮釋相比，玻姆詮釋與相對論的矛盾是否更為突出，這就是另一個難以回答的問題了。玻姆體系的支持者指出，任何一個量子理論流派或詮釋都無法與愛因斯坦相對論恰當?shù)乇３忠恢?。舉個例子，在第28章中我們將看到，新近發(fā)現(xiàn)的量子事實讓一切不允許某種超光速作用存在的詮釋都出局了。

考慮到這些新近發(fā)現(xiàn)的事實，玻姆詮釋的支持者認為，他們所需要的超光速作用相較于其他可行詮釋所需的此類作用，并沒有更糟。這一爭論所涉及的命題非常復雜，至于玻姆詮釋與相對論之間的矛盾是否會真的帶來問題，這是個開放性問題。更確切地說，與相對論的矛盾給玻姆詮釋帶來的問題是否比給其他詮釋帶來的問題更嚴重，是一個開放性問題。但至少可以說，通常認為玻姆詮釋在與愛因斯坦相對論保持一致方面，所面臨的難度更大，這也是玻姆詮釋沒能被更廣泛接受的主要原因之一。

多世界詮釋

愛因斯坦實在論和玻姆實在論是兩種主要的無坍縮詮釋，都可以被歸類為隱變量理論。還有一種很流行的詮釋，也就是多世界詮釋，它是無坍縮詮釋，但并不是隱變量詮釋。與玻姆和愛因斯坦的詮釋相同，多世界詮釋也摒棄了波函數(shù)坍縮的概念，但實現(xiàn)這一點的方式與愛因斯坦或玻姆所提出的方式不同。

要理解這個詮釋，最簡單的方法就是以一個具體的實驗設(shè)置為例來思考。讓我們再思考一下圖27-1所示的分束器實驗。假設(shè)我們按一下按鈕，回憶一下，當光子穿過分束器但還沒到達探測器時，標準量子理論數(shù)學所表達的是光子處于疊加態(tài)。重申一下，其中一個態(tài)是光子是向探測器A運動的一列波，另一個態(tài)是光子是向探測器B運動的一列波。

現(xiàn)在，假設(shè)一瞬間光子抵達探測器，我們聽到探測器A發(fā)出“嗶”聲，表明探測器A探測到了光子。不管是依據(jù)哪種坍縮詮釋，在我們聽到探測器發(fā)出“嗶”聲的同時，波函數(shù)都已經(jīng)發(fā)生了坍縮。也就是說，在所有坍縮詮釋中，當我們聽到探測器發(fā)出“嗶”聲時，疊加態(tài)都已經(jīng)坍縮成了一個態(tài)。在這個例子里，這一態(tài)就是探測器A探測到光子。

對于這個情境，多世界詮釋做何解釋？根據(jù)多世界詮釋，波函數(shù)從來沒有坍縮。事實上，整個情境繼續(xù)按照薛定諤方程式來隨時間演變。如果用現(xiàn)實主義態(tài)度來看待這個情境——這也正是多世界詮釋所做的，那么就意味著整個情境涉及一個越來越復雜的疊加態(tài)。

這種解釋也適用于薛定諤的貓的情境。光子探測器、貓的聽覺系統(tǒng)，或者你我對盒子內(nèi)情況的檢查，都不會讓波函數(shù)坍縮。重申一下，根據(jù)這個詮釋，波函數(shù)的坍縮是不存在的。

這里有一個明顯的問題，那就是如果波函數(shù)確實不坍縮，而且確實存在剛剛所描述的疊加態(tài)，那么為什么你我沒有觀察到這種疊加態(tài)？在圖27-1所示的例子中，為什么我們觀察到的只有探測器A探測到了光子？在薛定諤的貓的情境中，為什么我們沒有觀察到貓的生死疊加態(tài)？

答案是，你我是疊加態(tài)中一個態(tài)的組成部分，也就是說，你我都存在于疊加態(tài)的其中一個態(tài)里。你我恰巧存在于（或者，也許說我們是這個態(tài)的一部分更為合適）探測器A已探測到光子的態(tài)里，或者在薛定諤的貓的情境里，我們存在于死貓的態(tài)里。然而，由于沒有（從來沒有）出現(xiàn)過波函數(shù)坍縮，其他態(tài)仍然存在。在其他態(tài)里，有與你、我、探測器和貓等分別相對應(yīng)的存在。（順帶提一下，并沒有特別合適的詞來指代這個概念，“相對應(yīng)的存在”可能是最貼近的描述了。）當我們聽到探測器A發(fā)出“嗶”聲時，與我們相對應(yīng)的存在則聽到了探測器B發(fā)出“嗶”聲。當我們看到死貓時，與我們相對應(yīng)的存在看到的則是一只活蹦亂跳的小貓。

簡言之，不存在人為且神秘的波函數(shù)坍縮，存在的是一個代表了整個宇宙的波函數(shù)，也就是說，它代表了一切，包括你我以及所有與你我相對應(yīng)的存在。這個波函數(shù)根據(jù)薛定諤方程式隨時間而演變，它所代表的宇宙由許多疊加態(tài)組成，而每個疊加態(tài)又由數(shù)量多到難以想象的態(tài)組成，而且態(tài)的數(shù)量還在持續(xù)增加，你我正是存在于其中的一個態(tài)里。然而，從廣義上來看，我們所處的這個態(tài)并沒有什么特別之處，與其他所有組成疊加態(tài)的態(tài)相比，這個態(tài)并沒有更“真切”或更“不真切”一些。

多世界詮釋所展示的圖景就像是一棵不斷發(fā)出新枝的大樹，其中每根樹枝都代表了龐大的疊加態(tài)中的一個態(tài)。每當一個量子實體進入可以造成疊加態(tài)的情境中時，這棵樹就會發(fā)出一根新枝。由于這種情境經(jīng)常發(fā)生，因此這棵樹在以非常驚人的速度發(fā)出新枝。

對量子理論詮釋的思考

我們在前面強調(diào)過，量子理論詮釋肯定受制于已知的量子事實，而且應(yīng)該與標準量子理論數(shù)學保持一致，或者可能（就像玻姆詮釋中的情況）與其他量子理論數(shù)學保持一致。然而，正如我們已經(jīng)看到的，量子事實本身就相當奇怪，而標準量子理論數(shù)學與常識性現(xiàn)實也不一致。在很大程度上說，正是由于這些原因，所有量子理論詮釋通常與常識相矛盾。唯一例外的是愛因斯坦的詮釋，但是在前面我們也提到過，這個詮釋已經(jīng)站不住腳。我們必須看到，對于詮釋問題，秉持工具主義態(tài)度是很常見的。也就是說，如果你完全用工具主義態(tài)度來對待量子理論，那就不會遭遇詮釋問題了。

從工具主義角度來看，量子理論是一個便于做出預測的工具，就像托勒密的本輪被當作一個便于做出預言的數(shù)學工具。但是，如果面對的問題是理論背后的現(xiàn)實，那么工具論者將會采取不可知論的態(tài)度。同樣地，這也是一種在對待量子理論時值得尊重的態(tài)度。確實，關(guān)于這種態(tài)度還有很多值得討論之處，因為這是物理學家進行研究時，至少是在他們工作時，可采用的最為實用的態(tài)度。

但是，對我們這些不是物理學家的人來說，甚至是對結(jié)束了一天的工作、離開實驗室后的物理學家來說，有一個問題自古希臘時期就在西方思想中占據(jù)一席之地，讓人難以拒絕，那就是：我們究竟生活在怎樣的宇宙中？這個問題的答案一直為每個時代的尖端科學所左右，量子理論當然是我們歷史上最重要和最成功的理論之一。因此，量子理論自然會影響我們對目前自身所處宇宙的認識。然而，值得注意的是，現(xiàn)有量子理論詮釋所展示的宇宙，與我們一直認為的宇宙相比，是相當不同的。

標準詮釋的各個流派、玻姆詮釋和多世界詮釋都有一些引人入勝之處，也總有些方面不那么吸引人，因此，我們很有必要花些時間來對每種詮釋的優(yōu)勢與劣勢進行總結(jié)。

我們在前面看到了，標準詮釋的優(yōu)勢在于，它是一個相當“極簡主義”的詮釋，也就是說，這種詮釋與我們在第26章中所描述的標準數(shù)學相當接近，而且?guī)缀鯇藴蕯?shù)學照單全收。舉個例子，如果數(shù)學指出，在特定環(huán)境下，電子并沒有確定的位置，那么就是這樣吧。我們必須承認世界并不是由具有確定屬性的實體組成。

然而，正如我們所看到的，標準詮釋的支持者接受了波函數(shù)坍縮的概念。據(jù)推測，坍縮出現(xiàn)在測量發(fā)生時，這使標準詮釋的支持者面對與測量難題相關(guān)的問題時，無法給出很好的答案。在測量過程中，世界到底發(fā)生了什么？由于測量過程只是一個物理過程，與我們不算作測量的過程相比，在性質(zhì)上沒有什么不同，那么測量過程和非測量過程之間又有什么真正的差異呢？同樣地，如果一切都是由量子實體組成的，那么測量設(shè)備與其所測量的量子系統(tǒng)之間又有什么真正的差異呢？微觀世界與宏觀世界之間又有什么真正的差異呢？這些問題都是對測量難題的不同描述，或者換個更好的說法，它們都是從不同角度來看待測量難題的。波函數(shù)的坍縮給標準詮釋的支持者提出了難題，而這些支持者也確實無法很好地回答這些問題。

相反，玻姆詮釋避免了測量難題，這是其值得注意的優(yōu)勢。根據(jù)玻姆詮釋，不存在波函數(shù)坍縮，因此這一詮釋的支持者也就不需要面對上述難題。根據(jù)玻姆詮釋，測量設(shè)備與其所測量的量子系統(tǒng)之間不存在根本性差異，波函數(shù)不存在神秘坍縮，測量難題也不存在。

然而，通常認為玻姆詮釋無法很好地與愛因斯坦相對論保持一致，具體來說，與其他詮釋相比，玻姆詮釋與相對論之間的矛盾更嚴重。由于愛因斯坦相對論是現(xiàn)代物理學的一個核心分支，這可能就是玻姆詮釋一個潛在的嚴重缺陷。因此，玻姆詮釋盡管有優(yōu)勢，但也有明顯缺陷。

多世界詮釋同樣具有避免測量難題的巨大優(yōu)勢。在這里不存在波函數(shù)坍縮，因此也就沒有伴隨坍縮而來的各種難題。除此之外，這種詮釋是一個真正的極簡主義詮釋。也就是說，這種詮釋按字面意思全盤接受了我們在第26章中介紹的量子理論數(shù)學（不過并不包括投影/坍縮假設(shè)）所表達的情境。如果量子理論數(shù)學表明涉及量子實體的系統(tǒng)處于疊加態(tài)，那就是這樣吧。你、我和我們周圍所有物體等都只是其中一個態(tài)的組成部分，無數(shù)個這樣的態(tài)組成了復雜的、包羅一切的疊加態(tài)。這是量子理論數(shù)學所表達的，多世界詮釋的支持者就這樣按字面意思來接受了。

然而，伴隨著多世界詮釋的優(yōu)勢，缺陷也隨之而來，也就是這很有可能是最為反直覺的一個詮釋。很難想象現(xiàn)實是像多世界詮釋所展示的那樣不同，也就是說，很難想象現(xiàn)實是由無數(shù)個與你、我和我們周圍大多數(shù)物體相對應(yīng)的存在所組成。同樣困難的是，想象現(xiàn)實并不是由我們所處的這個單一確定的世界所組成，而是由無數(shù)個態(tài)組成的疊加態(tài)所組成，而我們所處的世界只是其中一個態(tài)。因此，簡言之，與其他詮釋一樣，多世界詮釋既有優(yōu)勢也有缺陷。

也許，此時我們可以更好地理解為什么用工具主義態(tài)度來看待量子理論如此普遍了。讓我們花點時間來回顧一下我們在本書前面章節(jié)中討論過的一些理論。自亞里士多德開始，在西方大部分歷史時期，托勒密理論是解釋天文學數(shù)據(jù)最好的理論。然而，正如我們看到的，這個理論需要本輪。很難想象行星怎么可能真的沿那么小的一個圓運動，也就是說，很難用現(xiàn)實主義態(tài)度來看待本輪。所以，考慮到行星真的沿托勒密體系所描述的軌道運動是非常困難的，天文學家通常采用工具主義態(tài)度來看待托勒密體系中的本輪。

隨著人們接受開普勒關(guān)于行星運動的觀點，也就是行星沿橢圓軌道以不同速度運動的觀點，用現(xiàn)實主義態(tài)度來對待這個觀點所展現(xiàn)的行星運動是很容易的（過去和現(xiàn)在都是如此）。但是，這個關(guān)于行星運動的觀點只告訴了我們行星是怎樣運動的，并沒有更完整地解釋為什么行星會這樣運動。牛頓物理學似乎對行星運動進行了解釋：橢圓軌道是根據(jù)慣性定律和萬有引力定律得出的。

然而，正如我們在第20章結(jié)尾所看到的，如果用現(xiàn)實主義態(tài)度，那么牛頓的萬有引力概念似乎涉及一個神秘的“超距作用”。同樣地，很難想象怎么可能真的存在這樣神秘的“超自然”力量。同時，我們在第20章結(jié)尾還看到，在很大程度上說正是基于這些原因，牛頓本人更傾向于用工具主義態(tài)度來看待重力。

而在本章中，我們看到量子理論同樣不能與常識性現(xiàn)實保持一致。因此，通常用工具主義來看待量子理論，而這其實只是延續(xù)了一個已經(jīng)長期存在的傾向，也就是在看待那些無法得出完備的現(xiàn)實主義詮釋的理論時，通常采用工具主義態(tài)度。

但是，如果我們確實想思考現(xiàn)實問題，也就是我們對自己身處什么樣的世界這個問題感興趣，那么值得注意的是，所有現(xiàn)有詮釋都有某些方面不那么有說服力。正如在這一小節(jié)開頭提到的，不僅對哪個詮釋是正確的（如果真的有一個是正確的話）不存在共識，甚至關(guān)于哪個詮釋更可取都沒有共識。你更喜歡哪個詮釋，說到底基本上是個審美問題，也就是什么樣的古怪特性更得你心?；蛘撸苍S更準確地說，什么樣的古怪特性讓你覺得最不成問題。

結(jié)語

在第26章中我們看到，量子事實是令人驚訝的，但是對于量子事實是什么并不存在爭議。我們也提到，量子理論數(shù)學是波數(shù)學的一個變形，這在物理學中并不少見。

最不尋常、最有爭議又難以理解的命題來自現(xiàn)實問題，其中最突出的就是測量難題和涉及詮釋問題的命題。正如我們所看到的，沒有任何一種常見的詮釋（除了愛因斯坦的詮釋，因為這個詮釋已經(jīng)站不住腳）能展示現(xiàn)實，至少在過去2500年里是如此。

在第28章中，我們將研究新近發(fā)現(xiàn)的一些實證結(jié)果，這些事實對現(xiàn)實問題產(chǎn)生了更多影響。具體來說，這些事實澄清了什么樣的詮釋是可行的選擇。我們將看到，新的實證結(jié)果并沒有讓情況變得不那么怪異，但確實有助于我們分辨出怪異之處在哪里。