作者：Sabine Hossenfelder & Tim Palmer

翻譯：Nothing

審校：Nuor 

量子力學(xué)不是火箭科學(xué)，但它很有可能取代火箭科學(xué)，成為一個令人無法理解的數(shù)學(xué)難題。量子力學(xué)出了名的令人難以理解，它違背直覺又看起來毫無意義。科普報(bào)道總是將它描述為“奇怪的”、“怪異的”、“令人難以置信的”或以上所有特點(diǎn)。

然而，我們并不這么認(rèn)為，量子力學(xué)是完全可以理解的。只是物理學(xué)家在半個世紀(jì)前放棄了唯一的理解方法。時至今日，物理學(xué)的基礎(chǔ)理論幾乎停滯不前。當(dāng)年沒能解決的重大問題今天仍然懸而未決。我們?nèi)匀徊恢腊滴镔|(zhì)是什么，我們?nèi)匀粵]有解決愛因斯坦引力理論和粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型之間的分歧，我們?nèi)匀徊涣私饬孔恿W(xué)中測量意味著什么。

我們怎樣才能克服這些難題？是時候重新審視一個早已被遺忘的解決方案：超決定論（Superdeterminism），即宇宙中沒有哪兩個部分是真正相互獨(dú)立的。這個方案讓我們對量子測量有了物理上的理解，并有望借此改進(jìn)量子理論。修正量子理論將成為物理學(xué)家們努力解決物理學(xué)中其他問題和尋找量子技術(shù)新應(yīng)用的驅(qū)動器。

量子力學(xué)無處不在

到目前為止，物理學(xué)家和哲學(xué)家都認(rèn)為，有缺點(diǎn)的不是量子力學(xué)，而是我們對它的理解。因此，對量子力學(xué)的理解可以著重在其數(shù)學(xué)的重新解釋上面，希望問題最終能夠取得突破。但突破還沒有出現(xiàn)，因?yàn)榱孔恿W(xué)的每一種解釋都存在問題，他們都不是完全自洽的，只有更好的理論才能解決這些問題。量子力學(xué)不可能是自然界運(yùn)行的最基本的規(guī)則，我們要超越它才行。

公平地說，抱怨量子力學(xué)的缺點(diǎn)并因此要求完全取代它的其他理論，是對一個如此成功和精確的理論的最大侮辱。我們必須強(qiáng)調(diào)的是，無論量子力學(xué)奇怪與否，它都已經(jīng)存在了超過100年，它完成了很多了不起的工作并幫助相信它的物理學(xué)家贏得了大量獎金。

沒有量子力學(xué)，我們就沒有激光，就沒有半導(dǎo)體和晶體管，就沒有計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和觸摸屏。我們不會有自旋磁共振，電子隧道顯微鏡和原子鐘。我們也不會擁有基于所有這些技術(shù)的無數(shù)應(yīng)用程序中的任何一個。我們沒有Wi-Fi，沒有人工智能，沒有LED，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)基本上也會不復(fù)存在，因?yàn)楝F(xiàn)在大多數(shù)成像工具和分析方法都依賴于量子力學(xué)。最后但也很重要的是，量子計(jì)算機(jī)不會出現(xiàn)。

因此，毫無疑問，量子力學(xué)與社會息息相關(guān)。同理，毫無疑問，更好地理解它可以獲得更多成果和進(jìn)步。

沒有人理解量子力學(xué)

那么，為什么連著名的物理學(xué)家都一再聲明量子力學(xué)是無法理解的呢？

量子力學(xué)的核心概念是波函數(shù)。在量子力學(xué)中，一切都是由波函數(shù)描述的。波函數(shù)是形容基本粒子的，而基本粒子又組成了一切，所以一切事物都是由波函數(shù)來形容。所以有電子的波函數(shù)，原子的波函數(shù)，貓的波函數(shù)等等。嚴(yán)格地說，一切事物都有量子行為，只是在日常生活中大多數(shù)量子行為是觀測不到的。

問題是，沒有人知道為什么當(dāng)人們試圖測量量子效應(yīng)時，量子效應(yīng)會消失。自從物理學(xué)家們提出量子力學(xué)以來，這個“測量問題”就一直困擾著他們。部分謎題都已得到了解決，但對這一部分的理解仍不令人滿意。

隱變量：擲骰子的結(jié)果是無法預(yù)測的，因?yàn)樗鼘?xì)節(jié)（例如手的動作）敏感。由于這部分信息未知，因此對于實(shí)際目的，擲骰子是隨機(jī)的。這是如何理解量子力學(xué)的方法。如果缺少信息，則可以進(jìn)行量子測量的結(jié)果。

為了了解這個問題，假設(shè)你有一個粒子和兩個探測器，一個在左邊，一個在右邊。如果將粒子向左發(fā)送，則左檢測器會發(fā)出滴答聲。如果將粒子向右發(fā)送，則右檢測器會發(fā)出咔噠聲。但在量子力學(xué)中，你可以做的不止這些：你可以讓一個粒子同時處于兩種狀態(tài)。例如，你可以通過分束器（beam-splitter ）發(fā)射粒子，這樣之后它就可以既向左運(yùn)動又向右運(yùn)動。物理學(xué)家說粒子是左右“疊加”的。

但是你從來沒有觀測到過一個處于疊加態(tài)的粒子。對于這樣的疊加態(tài)，波函數(shù)并不會告訴你一定會測量到什么，你只能預(yù)測你測量結(jié)果的概率。假設(shè)它預(yù)測到向左的概率是50%，向右的概率也是50%。這樣的預(yù)測對于一組粒子或一系列重復(fù)測量是有意義的，但對于單個粒子卻沒有意義。探測器要么發(fā)出咔嗒聲，要么不發(fā)出咔嗒聲。

數(shù)學(xué)上，“發(fā)出咔嚓聲或不發(fā)出咔嚓聲”要求我們在測量瞬間改變它的波函數(shù)，這樣在測量之后，粒子在確實(shí)測量到它的探測器中百分之百地存在。

這種改變（也稱為波函數(shù)的“塌縮”）是瞬時的，它在任何地方都同時發(fā)生。這似乎與愛因斯坦的光速是信息傳播速度的極限相沖突。然而，觀測者不能利用這一點(diǎn)來發(fā)送比光還快的信息，因?yàn)橛^測者無法控制測量結(jié)果是什么。  

 事實(shí)上，測量更新的同時性并不是主要問題。主要的問題是，如果量子力學(xué)像大多數(shù)物理學(xué)家所相信的那樣是一種基本理論，那么測量更新應(yīng)該是多余的。畢竟，探測器也是由基本粒子組成的，所以我們應(yīng)該能夠計(jì)算出在測量中發(fā)生了什么。

不幸的是，我們不僅不知道如何計(jì)算探測器被粒子擊中時的行為，除非我們只是假設(shè)測量會導(dǎo)致波函數(shù)的突變，更糟的是，我們知道這是不可能發(fā)生的。

我們知道，如果沒有波函數(shù)的塌縮，就不可能正確地描述量子測量，因?yàn)闇y量過程比不觀察波函數(shù)時的行為更復(fù)雜。測量過程的主要作用是消除可測量結(jié)果的疊加性。相反，一個沒有被測量的波函數(shù)才會處于疊加態(tài)，這根本不是我們觀察到的結(jié)果。我們從來沒有遇到過同時發(fā)出咔噠聲和不發(fā)出咔噠聲的探測器。

這在形式上意味著，雖然量子力學(xué)是線性的（保持疊加），但測量過程是“非線性的”，它屬于比量子力學(xué)更復(fù)雜的一類理論。這是改進(jìn)量子力學(xué)的一條重要線索，但幾乎完全沒有人注意到。

相反，有些物理學(xué)家認(rèn)為波函數(shù)并沒有描述單個粒子的行為，從而掃除了量子測量的難題。他們認(rèn)為波函數(shù)描述的不是粒子本身，而是觀察者對粒子行為的了解。當(dāng)我們進(jìn)行測量時，這些知識應(yīng)該得到更新。但關(guān)于這些知識是什么，你不應(yīng)該問。

然而，這種解釋并不能消除這樣一個問題：如果量子力學(xué)是基本的，那么我們應(yīng)該能夠計(jì)算出在測量過程中發(fā)生了什么。“觀察者”所得到的“知識”也應(yīng)適用于宏觀對象，其行為至少在原則上應(yīng)該可以從基本粒子的行為中導(dǎo)出。而且，我們知道這是不可能的，因?yàn)闇y量過程不是線性的。一個人不能通過重新解釋數(shù)學(xué)來解決矛盾，只能通過糾正數(shù)學(xué)來解決。

一種可能的解決方法

解決這個難題只有兩條路。一是反對還原論，承認(rèn)宏觀物體的行為不能從其組成部分的行為中推演出來，甚至在原則上也不能。

拒絕還原論在哲學(xué)家中很流行，但在科學(xué)家中卻非常不受歡迎，而且理由充分。還原論已經(jīng)取得了顯著的成功，并在經(jīng)驗(yàn)上得到了很好的證實(shí)。更重要的是，從來沒有人提出過一個一致的、非還原論的自然理論。而放棄還原論而不提出更好的解釋不僅毫無用處，而且反科學(xué)的。這無助于我們?nèi)〉眠M(jìn)展。

另一個合乎邏輯的解決方案是，量子力學(xué)并不是一個基本理論，它只是對更深層現(xiàn)實(shí)的一瞥。

如果量子力學(xué)不是一個基本理論，那么我們不能預(yù)測量子測量結(jié)果的原因僅僅是我們?nèi)狈π畔?。因此，量子隨機(jī)性和擲骰子的隨機(jī)性沒有區(qū)別。

擲骰子的結(jié)果在原則上是可以預(yù)測的。但它在實(shí)踐中是不可預(yù)測的，因?yàn)樗鼘ψ钗⑿〉臄_動都非常敏感，比如你的手的精確運(yùn)動，模具形狀的缺陷，或者它滾動表面的粗糙度。由于這是我們沒有的信息（或者即使我們有，也無法計(jì)算），擲骰子在所有實(shí)際應(yīng)用中都是隨機(jī)的。我們最好的預(yù)測是，當(dāng)我們對未知的、確切的細(xì)節(jié)進(jìn)行平均時，任何一面出現(xiàn)的概率是1/6。

這是我們理解量子力學(xué)的一種方式。測量結(jié)果原則上可以預(yù)測，只是我們?nèi)鄙傩畔?。波函?shù)本身并不是對單個粒子的描述，測量結(jié)果只是一個平均值。這就解釋了為什么量子力學(xué)只做概率預(yù)測。雖然潛在的新理論可以再現(xiàn)量子力學(xué)的預(yù)測，但如果我們有這個理論，我們也可以分辨出在哪些情況下我們應(yīng)該看到偏離量子力學(xué)的現(xiàn)象。

這個觀點(diǎn)得到了這樣一個事實(shí)的支持，即描述波函數(shù)行為的經(jīng)驗(yàn)性確定性的方程幾乎與物理學(xué)家用來描述大量粒子而不是單個粒子行為的方程相同。

歷史上，這種理解量子力學(xué)的方法被稱為“隱變量理論（hidden variables theory）”，“隱變量”在這里是所有未知信息的集合，如果我們有了它，量子測量的結(jié)果將可以被準(zhǔn)確預(yù)測。

物理學(xué)走在錯誤的道路上嗎？

需要強(qiáng)調(diào)的是，帶有隱藏變量的理論不是對量子力學(xué)的解釋。它們是不同的理論，它們更準(zhǔn)確地描述了自然，而且確實(shí)可以解決測量問題。

不用多說，我們并不是第一個指出量子力學(xué)就像一個求平均的理論的人。這可能是每個人在面對隨機(jī)測量結(jié)果時都會想到的。從量子力學(xué)早期開始，物理學(xué)家就開始考慮隱變量。但后來他們錯誤地認(rèn)為這一選擇是不可行的，這一錯誤在今天依然存在。

物理學(xué)家?guī)资昵胺傅腻e誤是從1964年約翰·貝爾證明的數(shù)學(xué)定理中得出錯誤的結(jié)論。這個定理表明，在任何隱含變量允許我們預(yù)測測量結(jié)果的理論中，測量結(jié)果之間的相關(guān)性服從一個界限。從那時起，無數(shù)的實(shí)驗(yàn)表明，這個界限是可以被打破的。由此可知，貝爾定理所適用的隱變量理論是被證偽的。物理學(xué)家得出的結(jié)論是量子理論是正確的，而隱變量理論不正確。

但是貝爾定理提出了一個假設(shè)，這個假設(shè)本身沒有得到證據(jù)支持：隱變量（不管它們是什么）與檢測器的設(shè)置無關(guān)。這種被稱為“統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性”的假設(shè)是合理的，只要實(shí)驗(yàn)只涉及像藥片、老鼠或癌細(xì)胞這樣的大型物體。然而，量子粒子是否成立，沒有人知道。

違反統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性的隱變量理論引出了超決定論。令人震驚的是，他們從未被排除在外。他們甚至從未進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)測試，因?yàn)檫@需要一種不同于物理學(xué)家迄今所做的實(shí)驗(yàn)。為了檢驗(yàn)超決定論，人們必須尋找證據(jù)，證明量子物理并不像我們想象的那樣隨機(jī)。

超決定論的核心思想是，宇宙中的一切都與其他一切有關(guān)，因?yàn)樽匀环▌t禁止某些粒子的構(gòu)型。如果你有一個空曠的宇宙，把一個粒子放在其中，那么你就不能任意地把其他粒子放在其中。他們必須先服從某些關(guān)系。

這種普遍的關(guān)聯(lián)性特別意味著，如果你想測量量子粒子的性質(zhì)，那么這個粒子永遠(yuǎn)不會獨(dú)立于測量設(shè)備。這并不是因?yàn)檠b置和粒子之間發(fā)生了任何相互作用。兩者之間的依賴性只是一種自然屬性，然而，如果一個人只關(guān)注宏觀設(shè)備，這種關(guān)聯(lián)性就不會被注意到。如果是這樣的話，量子測量就有了明確的結(jié)果，因此在解決測量問題的同時，會導(dǎo)致違反貝爾定界。

很難解釋為什么物理學(xué)家花了半個世紀(jì)的時間來研究一個不一致的理論，卻從來沒有認(rèn)真考慮過統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性可能會失效。如果在量子實(shí)驗(yàn)中違反了統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性，那么對其具體后果的分析就很少了。如上所述，任何解決測量問題的理論都必須是非線性的，因此很可能會產(chǎn)生混沌動力學(xué)。小的變化產(chǎn)生大的結(jié)果的可能性是混亂的標(biāo)志之一，但是在關(guān)于隱變量的爭論中卻被完全忽略了。

低風(fēng)險，高回報(bào)

鑒于量子力學(xué)的技術(shù)相關(guān)性，超越它將是一個重大的科學(xué)突破。但由于歷史遺留問題，研究過或目前研究超決定論的研究人員要么被忽視，要么被嘲笑。因此，這一想法關(guān)注的人仍然很少。

由于缺乏研究，我們至今還沒有普遍適用的超決定論理論。我們確實(shí)有一些模型為理解違反貝爾不等式提供了基礎(chǔ)，但是沒有理論能像現(xiàn)有的量子力學(xué)理論那樣靈活。雖然超決定論做出的一些預(yù)測在很大程度上是與模型無關(guān)的，因此測量結(jié)果的隨機(jī)分布應(yīng)該比量子力學(xué)中的少，但由于這些預(yù)測不是基于一個成熟的理論，因此很容易受到批評。

實(shí)驗(yàn)主義者甚至不想測試這個想法。但我們不太可能偶然發(fā)現(xiàn)超決定論的證據(jù)。普遍關(guān)聯(lián)性并沒有在基本粒子的層次上顯現(xiàn)出來。因此，我們不認(rèn)為用越來越大的粒子加速器探測越來越小的距離將有助于解決仍然懸而未決的基本問題。

今天的大多數(shù)物理學(xué)家被錯誤地教導(dǎo)測量問題已經(jīng)解決，或者錯誤地認(rèn)為隱藏的變量已經(jīng)被排除，這對物理學(xué)的進(jìn)步是無用的。