第1部分
瘆人
第1章
是咋回事？
看看量子世界
阿尔伯特·爱因斯坦对文字和方程同样在行，他给量子力学贴上了一个从那以后就一直没有人能揭下来的标签：spukhaft，这个德语单词翻译过来就是“瘆人”。大部分关于量子力学的公开讨论，给我们的印象如果不是别的，就可以用这个词来描述。我们被告知，量子力学是物理学的一部分，这部分物理学必然是神神道道、稀奇古怪、不可理解、诡异离奇、让人大惑不解。瘆人
。
神秘莫测也许很诱人。量子力学就像一个神秘、性感的陌生人，诱使我们把各种品质和能力都投射到它身上，而无论量子力学本身是不是真的具备这些。随便搜一下书名当中有“量子”一词的书，就会发现下面的清单，号称量子都能在其中大显神威：
对通常都被认为只跟涉及亚原子粒子的微观过程有关的物理学分支来说，这份摘要给人的印象相当深刻。
说句公道话，量子力学——或者叫“量子物理”“量子理论”，这些标签全都可以互换——并非只跟微观过程有关。量子力学描述的是整个世界，包括你也包括我，包括恒星也包括星系，包括黑洞中心，也包括宇宙起源。但只有我们在非常切近的距离上观察这个世界的时候，量子现象显得很怪异的那些特征才会必然显现。
本书的主旨之一是，不能因为量子力学神秘得有点莫可名状，超出了人类思维的理解范围，就冠之以“瘆人”的名声。量子力学让人赞叹：独出心裁、博大精深、开拓思路，而且对现实世界的看法与我们已经习以为常的方式截然不同。科学有时候也是这样。但是如果某个主题看起来挺难理解、让人困惑，那么科学的应对方式是努力解决这个难题，而不是假装这个难题不存在。完全有理由认为，我们也能解决量子力学的问题，就像任何别的物理理论一样。
对量子力学的很多陈述都遵循一个典型模式。这些陈述首先都会摆出一些违反直觉的量子现象，然后云里雾里地说上一番世界很可能就是这个样子的，也对自圆其说不抱希望。最后（如果你很幸运的话），这些陈述还会尝试解释一番。
我们的主题是以明晰为上而非强调神秘，因此我不想采用这种方式来陈述。在介绍量子力学时，我会希望从一开始就最容易理解的叙述方式出发。就算这样叙述，量子力学也还是会看起来很奇怪，因为这就是这个讨厌鬼的本性。但至少我希望，量子力学不会看起来无法解释、无法理解。
我们不会努力按照历史顺序来讲。在本章中，我们要看的是迫使我们接受量子力学的一些基本的实验事实，下一章我们会简单描述一下让这些观测结果能说得通的多世界诠释。在这之后的一章，我们才会部分以历史顺序叙述最开始让人们思考这种颠覆性的新物理学的发现。然后我们会着重阐明，量子力学的有些隐含意义究竟有多天翻地覆。
一切就绪之后，在本书剩下的章节我们会开启一项有趣的任务，看看所有这些会带来什么，揭开量子现实最引人注目的神秘之处的面纱。
物理学属于最基础的科学，实际上也是最基础的人类事业。环顾这个世界，我们看到到处都是东西。这些东西都是什么，又是怎样运转的？
这些问题自从人类开始问问题以来就一直在问。在古希腊，物理学被认为是关于生物和非生物的变化和运动的普遍研究。亚里士多德创造了关于趋势、目的和原因的一整套专业词汇。实体的运动和变化方式可以用其内在性质和外部作用力来解释。例如，典型的物体内在性质可能是保持静止，要令其运动就必须有什么原因来导致其运动。
还好后来有个很聪明的家伙叫作艾萨克·牛顿，这一切才变了。1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》一书，这是物理学史上最重要的一部著作。正是通过这部著作，他奠定了我们现在叫作“经典力学”或者“牛顿力学”的基础。牛顿将关于内在性质和目的的那套老掉牙的说辞扫进垃圾堆，揭开了底下隐藏的内容：一种清晰、严格的数学形式，老师们到今天都还在拿这套形式折磨学生。
无论你对高中或大学布置的关于钟摆和斜面的作业有怎样的记忆，经典力学的基本概念都可以说非常简单。考虑一个物体，比如说一块石头。忽略地质学家可能会感兴趣的所有特征，比如说颜色和成分。也不用考虑这块石头的基本结构可能会变化，比如说你拿把锤子把它敲碎了。把你脑子里这块石头的图像简化到最抽象的形式：这块石头是个物体，在空间中有一个位置，而且这个位置会在时间中改变。
经典力学会准确地告诉我们，这块石头的位置如何随时间而变化。现在我们对这种描述非常习以为常，但是还是值得思考一下，这种描述多么不同凡响。牛顿告诉我们的并不是关于这块石头也许这样也许那样运动的一般趋势的含糊其辞的说法。他给我们的是千真万确、牢不可破的法则，规定了宇宙间万事万物如何因应其他万事万物而运动——这些法则可以用来接住棒球，也可以用来让“漫游者”在火星上着陆。
经典力学是这样起作用的。在任意时刻，这块石头都有一个位置和一个速度，并以这个速度运动。根据牛顿的说法，如果石头上没有施加任何作用力，那么这块石头会继续沿直线以恒定速度一直运动下去。（这已经跟亚里士多德大相径庭了，亚里士多德会告诉你，如果想让石头一直运动下去，就必须一直推这块石头才行。）如果受到外力作用，石头就会加速——就是说石头的速度会有些变化，可能是运动得更快或者更慢，或者只是方向有变化——跟施加的作用力大小完全成正比。
基本上就是这样。要算出这块石头的整个轨迹，需要告诉我这块石头的位置、速度和施加其上的作用力。然后牛顿的方程就会告诉你结果。作用力可能包括重力、你的手施加的力（如果你把这块石头捡起来扔出去）以及石头落地时来自地面的作用力。这个思路对台球、宇宙飞船和行星都同样有效。在这个经典范式中，物理学的研究课题实际上包括弄清楚宇宙中的万事万物（石头以及其他）由什么组成，以及作用在这些事物上的作用力都有哪些。
经典物理学为这个世界提供了一幅直观的图像，但在得到这个图像的过程中，有好几个关键步骤。请注意，我们必须明确说明，要弄清楚这块石头会怎么样需要哪些具体信息：位置、速度和受到的作用力，我们可以把作用力看成是外部世界的一部分，而跟石头本身有关的重要信息只包括其位置和速度。而石头在任意时刻的加速度我们并不需要明确知道，牛顿定律让我们通过石头的位置和速度就能计算出来。
在经典力学中，位置和速度一起构成了任何物体的状态。如果一个系统有好几个部分都在运动，那么这整个系统的经典状态就是各个部分的状态的列表。一个正常大小的房间里的空气可能有1027个各种各样的分子，而这团空气的状态就是所有这些分子的位置和速度的列表。（严格来讲，物理学家喜欢用各个粒子的动量而非速度，但如果只考虑牛顿力学的话，动量就等于粒子的质量乘以速度。）一个系统可能处于的所有状态的集合，就叫作这个系统的相空间。
法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）指出，经典力学的思维方式有一个非常重要的隐含意义。原则上，一个庞大无匹的智慧生命可以知道宇宙中真的是所有对象的状态，由此出发还可以计算出未来会发生的所有情况，以及过去发生过的所有事情。拉普拉斯妖是个思想实验，而不是哪个雄心勃勃的计算机科学家现实中的研究课题，但是这个思想实验的含义极为重大。牛顿力学描述的，是一个决定论的、如钟表般精确的宇宙。
经典物理学的机制如此美丽、如此令人信服，仿佛一旦理解了这个机制，几乎就再也不可能还去寻求别的解释了。牛顿之后很多伟大的思想家都确信，物理学基本的上层结构已经搭好，未来的进展只不过在于弄清楚究竟是经典物理学的哪种体现（哪些粒子、哪些作用力）才能正确描述整个宇宙。就连相对论，虽然仅凭一己之力就改变了这个世界，也只是经典力学的一个版本，而不是取代了经典力学。
然后就有了量子力学，然后，一切都变了。
除了牛顿的经典力学形式，量子力学的创建也代表了物理学史上的另外一场重大革命。跟以前出现过的所有理论都不一样，量子理论并没有在基本的经典框架内提出特定的物理模型，而是整个抛弃了这个框架，代之以极为不同的内容。
量子力学最根本的新元素，也就是使量子力学跟之前的经典力学截然不同的地方，就集中在对量子系统来说测量某个东西是什么意思这个问题上。测量究竟是什么，我们测量某物时究竟发生了什么，以及所有这些关于表象背后究竟发生了什么的问题告诉了我们什么：这些问题一起构成了所谓的量子力学的测量问题。虽然有很多看起来大有前景的想法，但物理学领域和哲学领域对于如何解决测量问题还是远远没有达成共识。
在尝试解决测量问题的过程中，出现了一个叫作量子力学诠释的领域，虽说这个词并不怎么准确。“诠释”这个词我们一般会应用在文学作品或艺术作品上，因为对同一个基本对象，不同的人可能会有不同的看法。“量子力学是咋回事”就是另一回事了：这是完全不同的科学理论之间，对物理世界的互不相容的理解方式之间的竞争。出于这个原因，现在这个领域的研究人员更喜欢称之为“量子力学基础”。量子力学基础的课题是科学的一部分，不属于文学批评。
从来没有人觉得有必要讨论“经典力学诠释”——经典力学一眼就能看穿。有个数学形式描述了位置、速度和轨迹，然后呢，你看：有块石头在现实世界中的实际运动符合这个数学形式的预测。尤其是，经典力学中没有测量问题这么回事儿。系统状态由系统的位置和速度给出，如果我们想测量这些量，直接去测量就是了。当然，我们可以马马虎虎、粗枝大叶地测，由此得到的结果并不精确，甚至会因此改变系统本身。但我们并非只能如此，只要多加小心，我们就能精确测定关于这个系统我们需要知道的所有物理量，同时也不会让系统发生任何明显改变。经典力学在我们亲眼所见和理论所描述的情形之间建立了清晰可见、毫不含糊的关联。
量子力学尽管取得了那么大的成功，却完全做不到这一点。量子现实的核心谜团可以概括成这么一句简单的箴言：我们看向这个世界的时候，我们亲眼所见似乎跟这个世界的真实情形完全不同。
考虑一下电子，就是绕着原子核旋转的那个基本粒子。电子间的相互作用决定了所有的化学过程，因此也决定了现在你周围的几乎所有我们感兴趣的事情。跟那块石头的情形一样，我们可以忽略电子的一些具体特征，比如电子的自旋，以及电子周围有个电场这样的事实。（实际上，我们可以完全照搬石头的例子——石头和电子一样是量子系统——但切换到亚原子粒子可以帮助我们记住，使量子力学截然不同的那些特征只有在我们考虑确实非常非常小的对象时才会变得很明显。）
经典力学中的系统由其位置和速度描述，但量子系统有所不同，其性质没有那么实在。考虑一个在其自然生境中在环绕原子核的轨道上运动的电子。根据“轨道”这个词，以及多年来你见到的时候从来就没过过脑子的无数关于原子的漫画图像，你可能会觉得电子的轨道应该多多少少就像太阳系中行星的轨道一样。所以你大概也会认为，电子有位置和速度，在时间流逝中，电子绕着中间的原子核以圆形或者椭圆形轨道旋转。
量子力学说的就不是这么回事。我们可以测量位置和速度这样的物理量（虽然不能二者同时测量），而如果我们的实验人员很有天赋也足够小心，我们会得出一些结果。但通过这样的测量，我们看到的并不是电子真实、完整、未加矫饰的状态。实际上，我们不可能非常有把握地预测具体会得到什么样的测量结果，这就跟经典力学的思想背道而驰了。我们最多只能预测在某个具体位置看到电子，或是看到电子具备某个具体速度的概率。
这样一来，粒子状态的经典概念——位置和速度——在量子力学中被跟我们的日常经验格格不入的另一个概念——概率云——取而代之。对原子中的电子来说，这团概率云越往中心处越浓密，越往边缘则越稀薄。这团云最浓厚的地方看到电子的概率也最高，而云稀薄到几乎看不见的地方，看到电子的概率也几乎为零。
这团云因为可以像波一样振荡，我们通常叫它作波函数，而最有可能的测量结果也会随着时间变化。我们通常将波函数标记为Ψ，这是个希腊字母，读作“普西”。对每种可能的测量结果，比如说粒子位置，波函数都分配了一个特定的数字，即与该结果对应的振幅。粒子在位置x0处的振幅记为Ψ（x0）。
在我们测量时，得到该结果的概率由振幅的平方给出：
特定结果的概率=|该结果的振幅|2
这个简单的关系叫作玻恩定则，以物理学家马克斯·玻恩（Max Born）的名字命名。我们的任务之一就是，搞清楚这么个定则究竟是从哪儿来的。
当然我们并不是说，有这么个处于某个位置、具有某个速度的电子，我们只是不知道具体的位置和速度，而波函数概括了我们对这些物理量一无所知的状态。本章中我们完全不会谈及“真实情形”，而只会说我们观测到了什么。在后面的章节中我会敲黑板，旗帜鲜明地提出波函数就是现实世界的全部，而电子的位置和速度等概念只不过是我们可以测量的物理量。但并非所有人都这么看，现在呢，先让我们戴上一个公正不阿的面具吧。
来，我们把经典力学和量子力学的法则并排放在一起好好比较一下。经典系统的状态由其运动中的各部分的位置和速度给出。要追踪经典系统的演化，我们设想有如下程序：
到此结束。当然，细微之处最容易出问题。有的经典系统可以有很多个运动中的组成部分。
相比之下，标准教科书式量子力学包括两部分。在第一部分中，我们的体系跟经典情形几乎一模一样。量子系统由波函数而非位置和速度描述。经典力学中，牛顿运动定律决定了系统状态如何演化，量子力学也一样，有个方程决定了波函数如何演化，这就是薛定谔方程。薛定谔方程可以用文字表述如下：“波函数的变化率与量子系统的能量成正比。”说得更加具体点就是，波函数可以代表很多互不相同的可能的能量取值，薛定谔方程则宣称，波函数中能量较高的部分演化得很快，而能量较低的部分演化很慢。仔细想想，好像也挺说得过去的。
对我们的目标来说，重要的是有这么个方程，可以预测波函数如何在时间中平稳演化。波函数的演化可以预测而且必然发生，就跟经典力学中物体按照牛顿定律运动时同样可以预测一样。目前为止一切正常。
量子配方的开头是这么个画风：
到现在一切顺利——量子力学的这部分跟之前的经典力学完全一样。但是，经典力学的法则到此为止，而量子力学的法则还要继续前进。
接下来的所有法则都在讨论测量。在你测量比如说粒子的位置或自旋时，量子力学宣称，你只会得到某些可能的结果。你无法预测究竟会得到这些结果中的哪一个，但对每一个可能得出的结果，你都可以算出其概率。而测量完成之后，波函数会坍缩为另一个完全不同的函数，新的概率会完全集中在你刚刚得到的那个结果上。因此，如果测量一个量子系统，一般来讲你最多能够预测不同结果的概率，但是如果你马上再次测量同一个物理量，那么你总是会得到同一个结果——波函数已经坍缩到这个结果上了。
来，我们把这些语不惊人死不休的细节写下来：
在现代大学课程中，学物理的学生初次接触量子力学时，就会学到上述五条法则的某种表述。跟这些表述相关的思想体系——认为测量是最根本的，波函数在观测时会坍缩，不要问表象背后是咋回事——有时候叫作量子力学的哥本哈根诠释。但是有很多人，包括来自哥本哈根的、据说首创了这套诠释方式的物理学家，都对这个标签到底应该拿来描述什么内容有不同意见。我们可以简单称之为“标准教科书式量子力学”。
不用说，如果认为这些法则代表了现实世界真正的运行方式，肯定是骇人听闻。
你所说的“测量”究竟是什么意思？测量进行得有多快？可以算成是测量设备的究竟有哪些？必须是人呢，还是有一定程度的意识就行，甚至只需要有点儿读取并记录信息的能力就行？还是说，可能只是必须是个宏观物体，果真如此的话，必须要多大才算宏观？测量究竟是什么时候发生的，发生得有多快？波函数究竟是怎么这么剧烈地坍缩的？如果波函数散得很开，坍缩会比光速还快吗？波函数似乎允许的所有其他我们没有观测到的可能结果会怎样？那些概率是从来都没有真正存在过？还是就这么一下子消失得无影无踪？
最尖锐的提法是：为什么只要我们不观察，量子系统就会根据薛定谔方程平稳、确定地演化，但只要我们一观察就马上剧烈坍缩？这些系统怎么知道，又为什么会在意我们是不是在观察呢？（别担心，我们会回答所有这些问题。）
很多人都认为，科学想要理解自然界。我们观察发生的事情，科学则希望能解释是咋回事。
量子力学目前的教科书式表述并未实现这个雄心勃勃的理想。我们并不知道究竟是咋回事，至少也可以说，专业的物理学家圈子对量子力学究竟是什么还无法达成一致。我们拥有的只是一份我们奉为圭臬的配方，供奉在教科书里教给学生。你在地球的重力场中将一块石头扔到空中，从这块石头的位置和速度出发，牛顿可以告诉你这块石头随后会遵循怎样的轨迹。与此类似，从按照某些特定方式预备的量子系统出发，量子力学法则可以告诉你波函数如何随时间变化，以及如果你观测这个波函数，各种可能测量结果的概率都是多少。
量子力学诠释提供给我们的是概率而不是确定结果，这可能很让人恼火，但我们也可以学着接受这个事实。真正让我们烦恼的，或者说应该让我们烦恼的，是我们并不了解究竟发生了什么。
假设有那么几个狡猾的天才弄明白了所有的物理学定律，但并没有向整个世界宣布他们的发现，而是造了一台计算机来回答特定的物理学问题，还给计算机程序做了个交互界面放在网上。任何感兴趣的人只要去浏览这个网站，输入陈述得当的物理问题，就能得到正确答案。
这样的程序对科学家和工程师显然大有用处。但是，能够访问这个网站，并不等于理解了物理学定律。我们有了一个神使，可以专门为特定问题提供答案，但我们自己对这个游戏背后的基本规则完全没有任何直接想法。世界上其他科学家得到这样的神谕之后，也不会激动万分地宣布重大胜利，而是会继续埋头钻研，想弄清楚自然界遵循的究竟是什么定律。
以目前在物理学教科书中呈现出来的形式来说，量子力学代表的就是一个神谕，而不是真正的理解。我们可以提出特定问题并得到答案，但并不能真的解释清楚表象背后发生了什么。我们所拥有的只是关于“可能如何如何”的一些很好的想法，物理学界早就应该开始认真对待这些想法了。