物理学界的百年战争：波函数是物理实在吗？

返朴 · 公众号 · · 2020-02-12 09:29

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起初的诘难被玻尔一一化解之后，爱因斯坦在1935年携 EPR思想实验 ，对哥本哈根诠释发动了最为激烈的挑战。最初的EPR实验是基于对易关系 [x ₁ -x ₂ , p ₁ + p ₂ ] =0 构造，所展现的矛盾冲突不够直接明确。后来简化版本的EPR实验考虑的是一个由两粒子构成的体系，处于叠加态。如果进行测量，系统将有50%的概率塌缩为

，在此态中A粒子自旋向上B粒子自旋向下；另有50%的概率塌缩为，此状态中情形刚好相反。由此不难看出，无论测量使系统塌缩到哪个状态，两粒子的自旋方向总是相反。这就是众口相传的 量子纠缠 现象。

至此，一切似乎都未超出正常认知所能理解的范围，两个纠缠粒子无非就像一双鞋，看到其中一只是左脚的话，另外一只肯定是右脚。但这里的关键点是，按照哥本哈根诠释，测量之前粒子并没有事先确定的自旋方向，测量动作不是“发现”而是“造成”了自旋方向的确定。

爱因斯坦胸有成竹地指出：依照哥本哈根诠释，测量一个粒子会瞬间影响远处另一粒子的状态，这种“鬼魅般的超距作用”超越了光速上限，将违背因果律，因此哥本哈根诠释必然是不完备的，一定有隐藏在更深层面的变量，控制着量子态的行为表现。 隐变量理论 因此得名。

在EPR佯谬提出后相当长一段时间里，人们除了在哲学层面争吵着实在性的意义，一直看不到如何采用实验方法区分哥本哈根诠释和隐变量理论，于是对量子理论诠释的争论也一度失去了兴趣。玻尔回应EPR佯谬的论文被印进一本书里的时候，印刷商误将部分页码搞乱，在长达数年的时间里居然都没人发现这个错误。泡利甚至揶揄爱因斯坦过于顽固和迂腐，称其整天醉心于类似“针尖上能够容下几个天使”这样的无聊问题。

大卫·玻姆的隐变量理论

1951年前后，大卫·玻姆加入了爱因斯坦的阵营，开始潜心研究隐变量理论。他在1952年至1954年期间接连发表数篇重要论文，极大地帮助了当时以及后来的研究者们厘清关于量子理论的种种混乱认识。

玻姆清醒地认识到，EPR佯谬中所揭示的量子纠缠关系，是一种“非因果关联”，即使存在这种超距作用，也不会破坏因果律。所以EPR佯谬对量子理论的杀伤力，其实并没有爱因斯坦起初所以为的那么致命。事实上，现代物理学进展已经越来越清楚地发现，真实世界中的非定域性关联不仅存在，而且还非常普遍。

玻姆还指出了玻尔在解读不确定性原理时出现的逻辑矛盾。玻尔曾将不确定性关系解释为，探测粒子位置的光子干扰了粒子的动量，所以二者是鱼与熊掌不可得兼。玻姆毫不客气地指出：如果谈及“干扰”，则必然存在被“干扰”的对象。也就是说在玻尔的解释中，已经承认观测前粒子存在某个动量，而这明显与他所竭力维护的哥本哈根诠释相左。按照哥本哈根诠释，被测量之前粒子根本没有动量可供干扰。

为了回击冯·诺依曼提出的“隐变量理论不可能存在”的论断，玻姆索性直接构造出一个具体的隐变量理论模型：

首先假定满足薛定谔方程的波函数解是物理意义上统计性质的场，这个场受亚量子尺度深层机制的影响而剧烈涨落；
然后定义粒子的速度；
最后也是最讨巧的一步，是在经典势之外再定义一个“量子势” 。

这样玻姆就让一个具有确定轨迹，位置和动量都随时随地有确定值的经典粒子，具备了所有量子行为特征。

玻姆虽然凭借构造出的模型捍卫了隐变量理论在物理学界的一席之地，但因量子势的数学形式过于人为刻意拼凑，不仅引起了论辩对手的强烈攻击，就连同阵营的爱因斯坦也对其颇多微词。

贝尔不等式

玻姆并未因这些攻击而放弃自己的理论，反而在此基础上持续探索，提出了很多对后人颇具启发性的观点。1964年，在玻姆理论的启发下，贝尔通过研究随机事件的概率表现，得出了著名的贝尔不等式。所有仅存在 定域关联 的经典系统，其概率表现必然遵循贝尔不等式；而存在 非定域关联 的系统中，则可能出现违背该不等式的情况。

贝尔的理论令人们欣喜地看到区分“定域关联”和“非定域关联”的实验验证可能性。后来经过其他研究者的共同努力优化改造，人们已经设计出许多具体的实验方案。其中较为简单的一种方案，是利用探测纠缠光子的偏振方向，或者费米子的自旋方向来寻找答案。

使一对纠缠粒子分离，分别由两个探测器进行探测。当两个探测器所探测的方向存在夹角时，两端探测结果之间的关联度就不是简单的1或-1，而是一个随夹角变化的函数。经典定域关联假设下，关联度与夹角呈简单的线性比例关系，而量子理论给出的计算结果，则是关联度与夹角的余弦呈线性比例。依靠这一区别，实验的统计结果将体现这对纠缠粒子之间是否存在非定域关联。

众所周知，后来的实验结果显示，量子行为真的违背了贝尔不等式，从而证实非定域关联确实存在。在这个问题上，爱因斯坦虽然关注了正确的问题，却押错了问题的答案。定域性隐变量理论，无论以何种形式体现，都已经被实验结果彻底地宣判了死刑。但是玻姆的非定域隐变量理论，并未被验证贝尔不等式的实验排除。

不过玻姆理论的缺陷也比较明显。与其他理论相比，玻姆理论更像一个设计精巧但尚未完工的基础框架。其中的量子势等重要元素，如果不能自然地从其他物理机制中涌现，而只靠空降式构造的话，那将会是比哥本哈根诠释的量子态更令人难以接受的物理对象。

退相干和多世界诠释

加之其它种种原因，玻姆的理论虽然得到了理论物理学界广泛关注，但却始终未能成为足够令人信服的主流学说。当然，理性的科学家们也不愿意接受哥本哈根诠释中糊里糊涂的波函数塌缩，更不愿意接受冯诺依曼等人提出的“人的意识导致波函数塌缩”这种说法，于是便发展了更合乎逻辑的 退相干理论 。

简言之就是，量子所处的叠加态，并不会因观测而瞬间发生改变，而是通过相互作用转移扩散到范围更广的环境中。薛定谔的那只小猫，如果在被观察之前处于“既死又活”的状态，那么在被观察之后，观察者与猫这个整体就处于一个叠加态，“既看到死猫又看到活猫”的叠加态。