从双缝实验的怪事说起
量子力学有一百种讲法,我们只取需要的最小剂量。
把一颗电子射向开了两条缝的挡板,后面放一块屏幕接收。一次射一颗,慢慢打。直觉说:每颗电子要么走左缝要么走右缝,屏幕上该堆出两条亮带。实际结果呢?屏幕上出现的是干涉条纹——明暗相间、像水波相遇时的那种花纹。只有"每颗电子同时走了两条缝、自己和自己发生干涉"才能解释这花纹。
更怪的还在后面:在缝边放个探测器看电子到底走哪条,干涉条纹立刻消失,电子乖乖变成"走一条缝"的粒子。不看,它是波;一看,它是点。量子力学用叠加态描述这件事:观测前,电子处于"走左缝"和"走右缝"两种状态的叠加——不是"我们不知道它走哪条",而是它真的两条都在走。
大白话:微观粒子的"位置"在你看之前不是秘密,而是根本没定。不是它藏起来不让你看,是"走哪条路"这个问题在观测前没有答案。
薛定谔的猫:把怪事放大给你看
如果你觉得"电子两条路都走"还能忍——反正电子小,怪就怪吧——薛定谔 1935 年提出的思想实验就是专门让你不能忍的。
把一只猫关进盒子,盒子里有个装置:一个放射性原子如果衰变,就触发毒药;不衰变,猫活着。原子衰变是量子事件,在观测前处于"衰变了"和"没衰变"的叠加。按量子力学的字面逻辑,只要没人开盒看,整个盒子——包括猫——就处于叠加里:猫又死又活。
薛定谔提这个实验不是为了赞美量子力学的神奇,恰恰相反,他是想指出这理论有毛病:又死又活的猫显然是胡说,那把"叠加"从电子放大到猫的这套推理,一定在哪一步出了问题。问题在哪一步?这就是量子力学吵了一百年的核心:测量问题(measurement problem)——"观测"到底对系统干了什么?
哥本哈根诠释:教科书的标准答案,和它的不舒服
教科书里的标准回答叫哥本哈根诠释,大意是:观测前系统按波函数平滑演化,是一片可能性;观测的瞬间,波函数塌缩(collapse),所有可能性消失,只留下一个结果。猫在你开盒的瞬间从"又死又活"塌缩成"死"或"活"。
这套说法很好用——算题从来没算错过。但只要你像工程师追问需求一样追问它,它就开始漏水:
- 什么算"观测"?探测器算吗?猫自己算吗(猫难道不是观测者)?病毒算吗?理论没说清。一条物理定律的触发条件居然是"有观测",而"观测"没有定义——这在物理学里独一份。
- 塌缩什么时候发生?波函数演化是连续平滑的,塌缩却是瞬时的、不连续的、还不对称于时间——理论里凭空多了一套只负责"观测时"的规矩。
- 为什么概率?塌缩到哪个结果,理论只给概率(玻恩规则:概率等于波函数振幅的平方),不给原因。物理学其它地方的概率都是"我们信息不够"的遮羞布,只有这里是"世界本身就是随机的"。
爱因斯坦那句"上帝不掷骰子",嫌的就是最后这条。但三条合起来其实是一个指控:哥本哈根诠释在"没被观测的微观世界"和"被观测的宏观世界"之间画了一条线,却说不清线画在哪、凭什么画。探测器、猫、你,统统由原子和电子组成,凭什么微观粒子守一套规矩、大到某个程度就换另一套?
一个"异端"的提问
1957 年,一个叫休·埃弗里特(Hugh Everett III)的普林斯顿研究生问了一个莽撞的问题:如果根本没有塌缩呢?如果我们干脆删掉"观测时波函数塌缩"这条补丁,让波函数永远老老实实地按方程平滑演化,会发生什么?
答案是:理论变得异常干净——没有观测特权、没有塌缩、没有概率的特例——但代价是,那颗同时走两条缝的电子,在和你(也是一堆粒子)相互作用后,会把你拖进叠加:一个"看到电子走左缝的你"和一个"看到电子走右缝的你",同时存在。
这就是多世界诠释的入口。埃弗里特这个当时几乎毁了他学术前途的想法,怎么从"胡说"变成今天物理学界最流行的诠释之一,是下一章的事。这一章你只需要带走一句话:量子力学的方程本身从来没说过"塌缩",塌缩是人们为了让理论符合"我只看到一个结果"这个日常经验,外加进去的补丁。而工程师都知道:补丁打得越久,越值得问一句——不打行不行。