寒露 | 量子测量与量子力学诠释

在经典物理的世界中，物体的运动就像在放映电影，你可以随时按下暂停按钮，精确测量屏幕上物体的位置、速度等属性，而不对系统造成任何影响。测量过程本身并不会改变系统的状态，观测者的行为也不会影响电影的情节。然而，在量子力学中，情况却截然不同。

量子系统的状态通常以概率波函数的形式存在，这个波函数描述了多个可能结果的叠加状态。在没有进行测量时，量子系统处于这些可能结果的“共存”状态。然而，一旦对量子系统进行测量，结果会发生变化：你并不能同时获得所有可能的结果，而是只能得到某个可能结果中的一个。坍缩后，未测量到的可能性将会被排除。这意味着测量破坏了量子系统原本的叠加态，导致系统坍缩到一个确定的状态，也就是我们称为“本征态”的结果。即使多个处于相同初始状态的量子系统在相同条件下被测量，其结果也可能完全不同，这些结果的出现符合一定的概率分布。

如果把量子系统和观测者视为一个整体，那么测量过程将是这个整体内部的物理相互作用过程。这种测量过程与量子系统的自然演化，即“酉演化”，存在显著差异。酉演化遵循量子力学的基本对称性，是一个可逆的过程。然而，测量过程却不是可逆的，因为它将系统从多种可能状态强制性地压缩到一个确定的状态，这就是“波函数坍缩”的现象。什么样的物理相互作用属于“测量”并会导致波函数崩塌？这个事实引发了量子力学中的“测量问题”，即如何理解测量过程导致的波函数坍缩机制，以及观测者在这个过程中所扮演的角色，以及一系列有关观测者意识的哲学思考。

量子测量这一量子力学基本过程与经典物理和传统客观现实观的矛盾，促使物理学家们提出了不同的量子力学诠释，试图解释量子测量的本质以及观测者的角色。

哥本哈根诠释是最为经典的量子力学解释之一，它主要是由尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡于1927年在丹麦哥本哈根合作研究时共同提出的。根据哥本哈根诠释，量子系统的波函数仅在测量后才具有现实意义，测量之前的波函数只是对可能性的描述。测量的行为本质上导致了波函数的坍缩，使得量子系统从一种概率分布状态变为确定的结果。这一诠释将测量的不可预测性视为基本特性，并认为现实只在观测中显现。换句话说，物理世界在被观测之前并没有确定的状态，而是处于概率分布之中。正如物理学家保罗·戴维斯所言，“现实存在于观察之中，而不在电子之中。”

与之对立的是多世界诠释，由休·埃弗雷特在1957年提出。多世界诠释摒弃了波函数坍缩和不可预测性的概念，认为所有可能的量子结果都实际发生了，只不过它们分布在不同的“平行宇宙”中。每次进行测量时，宇宙会分裂为多个不同的分支，每个分支对应于不同的测量结果。在这种诠释下，量子力学的演化满足每一时刻都相同的、决定性的和可逆的规律。波函数永远不会坍缩，但我们只能够体验到其中一个可能的结果。我们每时每刻的观察和测量都会导致宇宙分裂成无数个平行宇宙，而各个平行宇宙之间无法互相沟通。

还有一种解释是德布罗意-玻姆理论，又称为“隐变量理论”或“波导理论”。它由路易·德布罗意和大卫·玻姆提出，试图保留经典物理中的确定性。根据德布罗意-玻姆理论，粒子总是拥有明确的轨迹和位置，波函数只是引导这些粒子运动的“导引波”。在这种诠释下，波函数的演化是完全确定的，不存在坍缩现象。量子力学中的随机性仅仅是因为我们无法完全知道系统的所有初始条件，而这些未知的条件被称为“隐变量”。德布罗意-玻姆理论提供了一种确定的现实观，在其中即使没有观测，粒子的轨迹也是真实存在的。然而，这种理论也面临批评，因为完全确定的演化将引入非局域性，即远处的事件可以即时影响粒子的行为，这与狭义相对论的局域性原则（光速的限制）相冲突。

尽管存在着如此多的量子力学诠释，目前仍未有一种解释得到物理学界的普遍认可。量子力学的基本问题带来的许多哲学问题仍然悬而未决。测量如何导致波函数坍缩？观测者在量子现象中的角色是被动的旁观者，还是积极的参与者？是否存在一个客观的现实，还是我们观察的行为本身塑造了现实？这些谜团无疑会继续引领物理学家和哲学家们探索新的理论和解释，不断推动人类对宇宙本质的深刻理解。

文 | 黄俊翔

图 | 朱成轩