前 言

不要害怕

不是說(shuō)非得是個(gè)理論物理博士才會(huì)對(duì)量子力學(xué)談虎色變。但量子力學(xué)并不傷人。

也許看起來(lái)有點(diǎn)奇怪。量子力學(xué)是我們理解微觀世界的理論，描述了原子和粒子如何通過(guò)自然作用力相互作用，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確程度也讓人嘆為觀止。當(dāng)然，也有人說(shuō)量子力學(xué)很費(fèi)解、很神秘，簡(jiǎn)直就是魔法。但是專(zhuān)業(yè)的物理學(xué)家偏生就應(yīng)該對(duì)這樣的理論甘之如飴。他們一直都在進(jìn)行涉及量子現(xiàn)象的復(fù)雜計(jì)算，還建造了龐大無(wú)匹的機(jī)器，專(zhuān)門(mén)用來(lái)檢驗(yàn)量子理論預(yù)測(cè)的結(jié)果。我們肯定不是想說(shuō)，物理學(xué)家一直都在弄虛作假吧？

他們沒(méi)有弄虛作假，但他們也沒(méi)有對(duì)自己做到百分之百地誠(chéng)實(shí)。一方面，量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的核心和靈魂。天體物理學(xué)家、粒子物理學(xué)家、原子物理學(xué)家、激光物理學(xué)家所有人、任何時(shí)候都在用量子力學(xué)，他們也全都很擅長(zhǎng)量子力學(xué)。量子力學(xué)并非只是個(gè)讓人難窺堂奧的研究領(lǐng)域。在現(xiàn)代科技中，量子力學(xué)無(wú)處不在。半導(dǎo)體、晶體管、微型芯片、激光和計(jì)算機(jī)內(nèi)存全都要靠量子力學(xué)才能發(fā)揮作用。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，必須要有量子力學(xué)，才能讓我們周?chē)�這個(gè)世界基本的特征變得有意義。從根本上講，所有的化學(xué)過(guò)程都需要用到量子力學(xué)。要理解太陽(yáng)為何閃耀、桌子為何堅(jiān)實(shí)，你都需要量子力學(xué)。

假設(shè)你閉上了眼睛。希望你看到的是一片黑暗。你可能會(huì)覺(jué)得當(dāng)然會(huì)這樣，因?yàn)闆](méi)有光進(jìn)入眼睛。但這個(gè)判斷并非完全正確：任何有溫度的物體都無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)射波長(zhǎng)比可見(jiàn)光略長(zhǎng)的紅外線，這樣的物體也包括了你的身體。如果我們的眼睛對(duì)紅外線跟對(duì)可見(jiàn)光一樣敏感，那么就算閉上眼睛，我們也會(huì)被我們眼球本身發(fā)出的所有光線亮瞎。但我們眼睛里充當(dāng)感光器的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞非常聰明，只對(duì)可見(jiàn)光敏感，對(duì)紅外線視而不見(jiàn)。這些細(xì)胞是如何做到的？后的答案也要?dú)w結(jié)到量子力學(xué)。

量子力學(xué)不是魔法，而是我們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界深刻、全面的看法。就我們目前所知，量子力學(xué)并非只是對(duì)真實(shí)情形的模擬，量子力學(xué)本身就是真實(shí)。如果出現(xiàn)意料之外的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這個(gè)論斷也會(huì)變，但到目前為止，我們還沒(méi)有看到任何意外情形的跡象。二十世紀(jì)初量子力學(xué)的發(fā)展涉及普朗克、愛(ài)因斯坦、玻尓、海森伯、薛定諤和狄拉克等等如雷貫耳的名字，他們?cè)?927年留給我們的完善認(rèn)識(shí)，毫無(wú)疑問(wèn)是人類(lèi)歷偉大的智慧結(jié)晶。我們完全有理由感到自豪。

但另一方面，理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）也有一段讓人難忘的評(píng)價(jià)：我想我敢打包票，沒(méi)有人懂量子力學(xué)。我們用量子力學(xué)規(guī)劃新科技，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但有一說(shuō)一的物理學(xué)家也承認(rèn)，我們并沒(méi)有真正理解量子力學(xué)。我們有一個(gè)配方，可以放心大膽地應(yīng)用到某些規(guī)定情形中，結(jié)果得到了精確程度讓人嘆為觀止的預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)結(jié)果則已經(jīng)成功證明這些預(yù)測(cè)都正確無(wú)誤。但如果你想刨根究底，問(wèn)問(wèn)究竟發(fā)生了什么，我們其實(shí)也不知道。物理學(xué)家喜歡把量子力學(xué)當(dāng)成是他們用來(lái)執(zhí)行特定任務(wù)的不識(shí)不知的機(jī)器人，而不是他們會(huì)以個(gè)人身份去關(guān)心的摯友。

專(zhuān)家中間的這種風(fēng)氣也影響了更廣大的世界理解量子力學(xué)的方式。我們想做到的是呈現(xiàn)大自然的完整圖景，但是很難做到，因?yàn)槲锢韺W(xué)家對(duì)量子力學(xué)究竟在說(shuō)什么仍然莫衷一是。實(shí)際上，流行的解讀往往強(qiáng)調(diào)說(shuō)，量子力學(xué)非常神秘、讓人困惑，不可能有誰(shuí)能理解。這樣的信息與科學(xué)所主張的基本原則背道而馳，其中一條基本原則就是這樣一種思想：世界從根本上講可以理解。涉及量子力學(xué)時(shí)，我們遇到了一些心理障礙，而要克服這個(gè)障礙，我們需要施行一點(diǎn)量子療法。

我們教學(xué)生學(xué)量子力學(xué)的時(shí)候，教給他們的是一系列法則。有些法則是我們很熟悉的形式：對(duì)量子系統(tǒng)有一個(gè)數(shù)學(xué)描述，外加闡述一下這些系統(tǒng)如何隨著時(shí)間演化。但是，接下來(lái)還有一堆額外的法則，其他任何物理學(xué)理論中都沒(méi)有與之類(lèi)似的內(nèi)容。這些額外法則說(shuō)的是，我們觀測(cè)量子系統(tǒng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么，而且這些表現(xiàn)跟這個(gè)系統(tǒng)未被觀測(cè)時(shí)的表現(xiàn)完全不同。到底是怎么回事？

基本上有兩種說(shuō)法。其一是我們一直以來(lái)講給學(xué)生聽(tīng)的量子力學(xué)很不完整，而要讓量子力學(xué)有資格成為合理合法的理論，我們需要了解何謂測(cè)量或者說(shuō)觀測(cè)，以及系統(tǒng)在未被觀測(cè)時(shí)為何會(huì)表現(xiàn)得截然不同。其二是量子力學(xué)劇烈突破了以前我們對(duì)物理學(xué)的一貫看法，讓我們的觀點(diǎn)從世界客觀存在、與我們感知世界的方式無(wú)關(guān)，轉(zhuǎn)變?yōu)橛^測(cè)行為在某種意義上是現(xiàn)實(shí)世界的根本特征。

無(wú)論是哪種情形，教科書(shū)都完全有理由花點(diǎn)時(shí)間探索這些說(shuō)法，承認(rèn)雖然量子力學(xué)已經(jīng)極為成功，我們也不能宣稱(chēng)已經(jīng)大功告成，完成了探索。但教科書(shū)并沒(méi)有這么做。大多數(shù)時(shí)候教材對(duì)這些問(wèn)題都略而不談，寧愿待在物理學(xué)家的舒適區(qū)，只是把方程寫(xiě)出來(lái)，然后要求學(xué)生去解方程。

好叫人難堪。而且還每況愈下。

你可能會(huì)想，在這種情況下，尋求理解量子力學(xué)應(yīng)該是整個(gè)物理學(xué)重要的目標(biāo)。應(yīng)該會(huì)有數(shù)百萬(wàn)、數(shù)千萬(wàn)撥款流向量子領(lǐng)域的研究人員，這些問(wèn)題應(yīng)該會(huì)吸引全世界聰明的頭腦，重大的見(jiàn)解應(yīng)該也會(huì)得到獎(jiǎng)勵(lì)、贏得聲望。各大學(xué)應(yīng)該會(huì)爭(zhēng)著搶著聘用這個(gè)領(lǐng)域的杰出學(xué)者，拿出超級(jí)巨星的工資水平來(lái)吸引他們離開(kāi)相互競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)構(gòu)。

遺憾的是，這些都沒(méi)有發(fā)生。不只是說(shuō)對(duì)量子力學(xué)的探索在現(xiàn)代物理學(xué)中沒(méi)有成為炙手可熱的領(lǐng)域，而且在很多地方就算沒(méi)有被刻意貶低，也沒(méi)有什么人認(rèn)為值得重視。大部分學(xué)校的物理院系都沒(méi)有人研究這個(gè)領(lǐng)域，選擇研究這個(gè)領(lǐng)域的人也會(huì)遭受滿腹狐疑的目光。（近我在寫(xiě)一個(gè)經(jīng)費(fèi)申請(qǐng)的時(shí)候，還有人建議我重點(diǎn)描述萬(wàn)有引力和宇宙學(xué)方面的工作，而提都不要提我在量子力學(xué)基礎(chǔ)方面的工作，因?yàn)榍罢呖雌饋?lái)非常正當(dāng)，而后者會(huì)讓我的申請(qǐng)看起來(lái)不大正經(jīng)。）過(guò)去九十年也取得了一些重要進(jìn)步，但通常都是由一意孤行的個(gè)人做出的，要么就是認(rèn)為這些問(wèn)題確實(shí)很重要于是雖千萬(wàn)人吾往矣的倔人，要么就是初出茅廬不知道研究什么好的愣頭青，但稍后也會(huì)完全離開(kāi)這個(gè)領(lǐng)域。

有一則伊索寓言說(shuō)的是，有只狐貍看到美味多汁的葡萄就跳著去夠，但跳得又不夠高。沮喪之下這只狐貍宣布，葡萄很可能是酸的，自己反正從來(lái)也沒(méi)有真的想吃這些葡萄。狐貍代表物理學(xué)家，而葡萄就是理解量子力學(xué)。很多研究人員已經(jīng)認(rèn)定，了解大自然真正的運(yùn)作機(jī)制從來(lái)都沒(méi)那么重要，重要的是做出特定預(yù)測(cè)的能力。

科學(xué)家受到的訓(xùn)練是，將清晰可見(jiàn)的結(jié)果，無(wú)論是讓人激動(dòng)萬(wàn)分的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)還是定量的理論模型，都視若珍寶。費(fèi)盡心思去理解一種現(xiàn)有理論（而這樣的努力可能并不會(huì)帶來(lái)任何新的科技進(jìn)步或是新的預(yù)測(cè)），這種思路恐怕很難賣(mài)個(gè)好價(jià)錢(qián)。美劇《火線》就體現(xiàn)了這種潛在的緊張關(guān)系，劇中一組探員殫精竭慮好幾個(gè)月，悉心搜集證據(jù)，想把一個(gè)強(qiáng)大的販毒團(tuán)伙繩之以法。然而他們的老板對(duì)這種穩(wěn)扎穩(wěn)打的無(wú)聊過(guò)程沒(méi)有耐心，他們只想下次開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)的時(shí)候桌上擺滿毒品，催著警察們一擊爆頭，興師動(dòng)眾地大行搜捕。資金管理機(jī)構(gòu)和招聘委員會(huì)就像這些老板。在這個(gè)所有舉措都在激勵(lì)我們得出具體、量化結(jié)果的世界里，在我們向下一個(gè)迫在眉睫的目標(biāo)一路狂奔的路上，沒(méi)那么緊迫的大局觀問(wèn)題完全可以棄置道旁。

本書(shū)有三條主要信息。條是，量子力學(xué)理應(yīng)可以理解雖說(shuō)我們現(xiàn)在還沒(méi)能理解而得到這樣的理解應(yīng)該是現(xiàn)代科學(xué)的首要目標(biāo)。量子力學(xué)在我們親眼所見(jiàn)和真實(shí)情形之間劃出了清晰的界限，在物理學(xué)理論中可以說(shuō)是獨(dú)一份。科學(xué)家（以及所有人）都習(xí)慣了認(rèn)為我們親眼所見(jiàn)毫無(wú)疑問(wèn)就是真實(shí)情形，并致力于做出相應(yīng)解釋?zhuān)�而量子力學(xué)對(duì)這些人的思想提出了非比尋常的挑戰(zhàn)。但我們并非無(wú)法應(yīng)戰(zhàn)，如果我們把思想從某些舊式、直觀的思考方式中解放出來(lái)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)也并沒(méi)有神秘到讓人絕望或是無(wú)法解釋。只不過(guò)是物理學(xué)而已。

第二條信息是，在對(duì)量子力學(xué)的理解中我們已經(jīng)取得了真正的進(jìn)展。我會(huì)重點(diǎn)介紹我認(rèn)為明顯有前景的理解方式，即量子力學(xué)的埃弗里特詮釋或多世界詮釋。多世界詮釋受到了眾多物理學(xué)家的熱烈擁護(hù)，但也有很多人認(rèn)為這種詮釋方式粗枝大葉，對(duì)于其他現(xiàn)實(shí)世界中還有千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)自己極為反感。如果你也是其中一員，我希望至少能讓你相信，多世界詮釋是理解量子力學(xué)的純粹的方式如果在認(rèn)真對(duì)待量子現(xiàn)象時(shí)沿著阻力小的路徑前行，后一定會(huì)歸結(jié)到多世界詮釋。尤其是，多重世界是已經(jīng)存在的體系作出的預(yù)測(cè)，而不是手動(dòng)生加進(jìn)去的內(nèi)容。但是，多世界詮釋并不是值得重視的方法，我們也會(huì)介紹一些主要的相互競(jìng)爭(zhēng)的思想。（我也許未必能一碗水端平，但會(huì)盡力做到公平。）重要的是，各種各樣的詮釋方式全都是精心構(gòu)建的科學(xué)理論，可能會(huì)帶來(lái)各不相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而并不是在我們完成了真正的工作之后，就著干邑白蘭地和雪茄進(jìn)行的讓人如墜霧里的詮釋論爭(zhēng)。

第三條信息是所有這些都很重要，而且不只是對(duì)科學(xué)的完善來(lái)說(shuō)有重要意義。我們不能因?yàn)槟壳艾F(xiàn)有的夠用但條理還不夠清楚的量子力學(xué)框架取得的成功，就對(duì)這個(gè)事實(shí)視而不見(jiàn)：某些情況下這個(gè)方法根本不能勝任愉快。特別是我們想要理解時(shí)空本身的性質(zhì)，以及整個(gè)宇宙的起源和終命運(yùn)時(shí)，量子力學(xué)的基礎(chǔ)至關(guān)重要。我會(huì)介紹一些全新的、讓人血脈僨張但當(dāng)然也只是試探性的假說(shuō)，在量子糾纏和時(shí)空卷折彎曲的方式（你我都知道這種現(xiàn)象叫做萬(wàn)有引力）之間建立起頗具爭(zhēng)議的關(guān)聯(lián)。很多年以來(lái)，找到完備的、令人信服的量子引力理論一直是極為重要的科學(xué)目標(biāo)（聲望、獎(jiǎng)項(xiàng)、大學(xué)之間互挖墻腳等等各種勾當(dāng)都因此而起）。秘訣也許并不在于從引力入手再將其量子化，而是深入挖掘量子力學(xué)本身，后發(fā)現(xiàn)引力一直潛藏其中。

我們無(wú)法確知。前沿研究就是會(huì)這樣讓人興奮莫名又焦慮萬(wàn)分。但是，現(xiàn)在是時(shí)候認(rèn)真對(duì)待現(xiàn)實(shí)世界的本質(zhì)特征了，也就是說(shuō)，要跟量子力學(xué)正面硬剛。