摘要：每个人都有自己最喜欢的技巧，这些技巧可以可靠地完成某项工作，即使他们并不真正理解为什么。在过去，当图像变得模糊时，它可能就是拍打电视机的顶部。今天，它可能是关闭电脑然后再打开。
引言：量子力学描述了一种违反直觉的现实，其中观察行为会影响被观察的事物——但很少有人能就其含义达成一致。
每个人都有自己最喜欢的技巧，这些技巧可以可靠地完成某项工作，即使他们并不真正理解为什么。在过去，当图像变得模糊时，它可能就是拍打电视机的顶部。今天，它可能是关闭电脑然后再打开。
量子力学——现代物理学中最成功、最重要的理论——就是这样的。它运作良好，解释了从激光和化学到希格斯玻色子和物质稳定性的各种现象。但物理学家们不知道为什么。或者至少，如果我们中的一些人认为我们知道为什么，那么大多数人并不同意。
量子力学是如何在一百年前的几个月内诞生的
量子理论的独特之处在于，我们描述物理系统的方式与我们观察它们时看到的方式截然不同。因此，与以前的物理学框架不同，量子力学的教科书规则需要调用特殊过程来描述“测量”或“观察”。作为一个领域，物理学对于为什么会这样，甚至对于它意味着什么，并没有达成共识。
物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）和阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）分别于 1900 年和 1905 年发表了关于自然界量子行为的论文，首次揭示了量子行为的本质。他们指出，光的某些特性可以通过想象它是离散的粒子状块体而不是经典电磁学所描述的平滑波来最好地解释。但他们的想法不足以描述完整的理论。1925 年，德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）首次提出了量子力学的完整版本。同年晚些时候，马克斯·玻恩（Max Born）和帕斯夸尔·乔丹（Pascual Jordan）与海森堡一起进行了跟进，埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）很快提出了该理论的独立表述1。
因此，将 2025 年作为量子理论的真正百年纪念来庆祝是公平的。尽管这样的纪念活动可以正确地指出各种令人惊叹的实验成功，但它必须留出空间来承认尚未解答的基础问题。量子力学是一座美丽的城堡，如果能确保它不是建在沙子上就好了。
自从艾萨克·牛顿在十七世纪创立经典力学以来，物理学理论一直遵循着一定的模式。假设有一个系统：可能是一颗围绕恒星运转的行星，或者一个电场，或者一个气体盒子。在任何一个时刻，系统都由其“状态”来描述，其中包括系统的当前配置和变化率；对于一个毫无特征的单个粒子，这相当于它的位置和速度（或者，动量）。然后，你就有了运动方程，它告诉我们系统在当前状态下将如何演变。这个基本方法适用于从牛顿引力到爱因斯坦相对论的一切理论，后者与量子理论一样，是二十世纪初的产物。但随着量子力学的出现，这个方法突然失效了。
经典范式的失败可以追溯到一个单一的、具有煽动性的概念：测量。自从有了科学家以来，测量的思想和实践的重要性就一直被科学家所承认。但在前量子理论中，基本概念被视为理所当然。理论假设的任何物理实量都被假定在任何特定情况下具有某些特定值。如果你愿意，你可以去测量它们。如果你是一个粗心的实验者，你可能会有严重的测量误差，或者在测量时扰乱系统，但这些并不是物理学本身不可避免的特征。通过更加努力，你可以像你希望的那样精细而精确地测量事物，至少就物理定律而言。
激光实验探索了量子纠缠的真实性，这一概念与物理学的直观概念格格不入。图片来源：Pascal Goetgheluck/SPL
量子力学则讲述了一个截然不同的故事。在经典物理学中，电子等粒子在任何给定时刻都有真实、客观的位置和动量，而在量子力学中，这些量在测量之前通常不以任何客观方式“存在”。位置和动量是可以观察到的东西，但它们不是预先存在的事实。这是一个很大的区别。这种情况最生动的含义是海森堡于 1927 年提出的不确定性原理，该原理指出，没有一种电子状态可以让我们提前完美地预测其位置和动量2。
相反，量子理论用波函数来描述系统的状态，这是薛定谔在 1926 年提出的一个概念，同时提出的还有描述系统随时间变化的同名方程。对于我们的单个电子，波函数是分配给我们可能观察到的电子所处的每个位置的数字——换句话说，波可能主要集中在原子核附近，也可能广泛分布在整个空间中。
事情变得棘手的地方在于波函数和我们可能想要测量的可观测量（如位置和动量）之间的关系。在薛定谔的原始论文发表后不久，玻恩就提出了答案4。根据玻恩的解释，我们永远无法精确预测量子测量的结果。相反，我们可以通过计算电子位置波函数的平方来确定获得任何特定结果的概率。这个方法完全颠覆了自牛顿时代以来一直占主导地位的确定性、钟表宇宙的理想。
回想起来，一些物理学家接受这一转变的速度之快令人印象深刻。有些人接受，但不是全部。爱因斯坦和薛定谔等杰出人物对新的量子共识并不满意。这并不是说他们不理解它，而是他们认为新规则一定是迈向更全面理论的垫脚石。
不确定性的出现经常被描述为他们对量子理论的主要反对意见——用爱因斯坦那句令人难忘的话来说，“上帝不会和宇宙掷骰子”。但真正的担忧更深。爱因斯坦特别关心局部性，即世界由存在于时空中特定位置的事物组成，它们与附近的事物直接相互作用。他还关心现实主义，即物理学中的概念映射到真实存在的世界特征上，而不仅仅是计算便利。
“闭嘴，计算一下”：爱因斯坦为何在解释量子现实方面失败
爱因斯坦最尖锐的批评出现在 1935 年著名的 EPR 论文5中——以他和他的合著者鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森的名字命名——标题为“量子力学对物理现实的描述可以被认为是完整的吗？”。作者们根据他们强调的一个关键量子现象给出了否定的回答，这个现象后来被称为纠缠。
如果我们有一个粒子，波函数会为它可能拥有的每个位置分配一个数字。根据玻恩规则，观察到该位置的概率是数字的平方。但如果我们有两个粒子，我们就没有两个波函数；量子力学为双粒子系统的每个可能同时配置赋予一个数字。当我们考虑越来越大的系统时，它们继续由一个波函数来描述，直到整个宇宙的波函数。
因此，观察到一个粒子在某处的概率可能取决于我们观察到另一个粒子在何处，无论它们相距多远，这都是正确的。 EPR 分析表明，我们可能在地球上有一个粒子，而在光年之外的行星上有一个粒子，我们对远处粒子测量结果的预测可能会“立即”受到我们对附近粒子测量结果的影响。
引号提醒我们，根据狭义相对论，即使是“同时”的概念对于空间中相距很远的点也没有很好的定义，爱因斯坦比任何人都清楚这一点。纠缠似乎违背了狭义相对论的原则，因为它暗示信息传播速度比光快——否则遥远的粒子怎么能“知道”我们刚刚进行了测量？
我们实际上无法利用纠缠进行远距离通信。通过测量这里的量子粒子，我们现在知道了远处会观察到什么，但实际上身处遥远地方的人无法获得我们所拥有的知识，因此无法进行通信。但量子理论描述世界的方式与我们在爱因斯坦相对论中认为的时空运作方式之间至少存在一定的矛盾。
为解决这一矛盾而做出的努力层出不穷，但目前尚无明确的共识。事实上，围绕我们能想到的最核心问题，仍然存在重大分歧：量子波函数是否应该代表现实，还是我们用来计算实验结果概率的工具？这个问题从根本上分裂了爱因斯坦和丹麦物理学家尼尔斯·玻尔，他们就量子力学的含义进行了数十年的著名辩论。爱因斯坦和薛定谔一样，是一个彻底的现实主义者：他希望他的理论能够描述我们可能认为是物理现实的东西。玻尔和海森堡都愿意放弃任何关于“真正发生的事情”的讨论，而是专注于预测测量时会发生什么。
多重世界理论的奇异逻辑
后一种观点引发了对量子理论的“认识论”解释。玻尔和海森堡的观点被称为哥本哈根解释，与当今物理学家在教科书中教授的内容非常接近。现代版本包括 QBism 6（“量子贝叶斯主义”的缩写）和关系量子力学7。这两种解释都强调了量子态不应被视为独立的，而应被视为相对于观察者、测量过程和该过程中知识状态的变化。
认知方法的一个好处是，对超光速影响的担忧消失了。当观察者进行测量时，他们会更新他们的知识；没有任何东西在物理上从一个纠缠粒子传播到另一个粒子。缺点是这些方法完全没有回答现实到底是什么的问题，而这个问题对物理学来说很重要（或者应该很重要）。考虑到波函数在某些情况下确实像物理事物一样运作，这一点尤其成问题。例如，波函数可以与自身发生干涉，如双缝实验所示。穿过两个狭缝并在另一侧重新结合的波函数将根据波的振荡发生建设性或破坏性干涉。这听起来确实像真实物理事物的行为。
尼尔斯·玻尔（左）和阿尔伯特·爱因斯坦（右二），与物理学家詹姆斯·弗兰克（坐着）和伊西多·拉比合影。图片来源：Everett Collection Historical/Alamy
另一种方法是本体论方法，即承认量子态代表现实（至少部分代表现实）。问题在于我们永远无法“看到”波函数本身；我们只用它来预测我们所看到的东西。我们可以将波函数视为代表许多可能测量结果的叠加。但是，一旦我们进行了测量并记录了一个结果，就很难抗拒将结果视为真实的东西，而不是之前可能性的抽象叠加。
有许多量子力学的本体模型可以调和波函数的中心性与其与观测的微妙关系。在导航波或隐变量模型中，波函数是真实的，但也有额外的自由度来表示粒子的实际位置，而后者才是被观测到的。在休·埃弗里特（Hugh Everett）稍后提出的埃弗里特诠释或多世界诠释中，观察者与他们测量的系统纠缠在一起，每个允许的结果都在波函数的不同分支中实现，这些分支被解读为平行世界。在不同形式的客观坍缩模型中，波函数偶尔会调整自身（违反传统的薛定谔方程），使其看起来像我们观察到的半经典现实。
量子理论是否意味着整个宇宙都是预先确定的？
尽管人们通常认为这些方法是对量子力学的相互竞争的解释，但这是一种误解，因为它们是不同的物理理论。客观坍缩模型具有各种明确的实验后果；最引人注目的是，当波函数客观坍缩时，它违反了能量守恒定律，这在超冷原子系统中可能是可以观察到的。测试正在进行中，但尚未发现这些影响的证据。据大家所知，没有实验可以区分导航波方法和埃弗雷特方法。（每种方法的支持者往往认为另一种方法定义不明确。）
因此，物理学家们对于测量到底是什么、波函数是否代表物理现实、除了波函数之外是否还有其他物理变量，或者波函数是否总是遵循薛定谔方程，并没有达成一致。尽管如此，现代量子力学还是为我们提供了科学领域中一些经过最精确测试的预测，理论和实验之间的一致性可以达到小数点后几位。
相对论量子场论是所有现代粒子物理学的基础，它必定是量子力学最伟大的成就之一。为了适应粒子可以创造或毁灭这一观察到的事实，以及相对论的对称性，它的出发点是遍布整个空间的量子场。量子理论的规则意味着，这种场中的小振动自然地似乎是单个粒子的集合。这些振动相互之间的反复影响导致了大量可观察到的现象，这些现象已被实验奇妙地证实，从夸克如何被限制以产生质子和中子，到希格斯玻色子的存在。这种粒子来自遍布整个空间的希格斯场的振动，它赋予其他粒子质量，并解释了为什么弱核力的射程如此之短。根据宇宙膨胀理论，恒星和星系的起源甚至可以追溯到早期宇宙密度的微小量子变化。
但尽管量子场论取得了诸多成功，它也有自己的难题。众所周知，直接计算两个粒子散射概率的量子修正值通常会得到无穷大的答案——这不是你希望概率具有的特征。现代物理学已经通过使用“有效场论”解决了这个问题，这种理论试图仅描述（相对）低能量和动量下的过程，而麻烦的无穷大完全不存在。
爱因斯坦、玻尔与量子理论之争
但这一框架仍给我们留下了“自然性”问题。在有效场论方法中，我们在低能量下观察到的参数代表了极高能量下不可观测过程的综合效应。这种理解使我们能够预测希格斯质量或真空能量密度等参数的自然值应该是多少。但这些数字的观测值远低于预期——这个问题仍有待令人信服的解决方案。
然后，最大的问题就是：构建引力和弯曲时空的基本量子理论的难度。该领域的大多数研究人员认为量子力学本身不需要任何修改；我们只需要研究如何以一致的方式将弯曲时空融入故事中。但我们似乎离这个目标还很远。
与此同时，量子理论的无数表现形式继续在越来越多相对实用的技术中得到应用。量子化学为先进药物、奇异材料和能量存储的设计开辟了道路。量子计量和传感使物理量的测量达到了前所未有的精度，甚至包括探测到十亿光年外黑洞产生的引力波经过时引起的钟摆的微小摆动。当然，量子计算机有望以传统原理无法实现的速度执行某些计算。
所有这些都是在人们尚未就量子力学的核心工作原理达成完全一致的情况下发生的。从历史上看，技术进步往往促进了（甚至是必然）基础理解的改进。我们不断发明新方法来打破现实，并乐观地认为模糊的画面最终会清晰起来。
自然638 , 31-34 (2025)
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00296-9
来源：人工智能学家
