【彩蛋】量子力学被推翻了吗

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精华笔记

6月13号，有一篇耶鲁大学科学家发表的物理学文章，可以说是刷了屏，这篇文章出来之后，很多媒体都喊出了一个令人非常震惊的口号：“量子力学被推翻了。”我今天给你加一集餐，具体讨论一下这个物理实验到底做了件什么事？它到底得到了什么样的结果？以及量子力学是不是真的被推翻了？为了及时给你加餐，我还专门跑到《Nature》杂志的官网上，花了32美元把原文买过来，仔仔细细地研究了两三遍。

首先我要告诉你结论，就是量子力学在这个实验的结果下未必被推翻了，虽然有这可能性，但在我看来，这个实验的结果是让量子力学有了被更加完善的可能。我们先来简单介绍量子力学，虽我在栏目中还没有仔细给讲过，当然以后我会详细的讲解，我们先来简单理解量子力学有什么特殊之处。

首先，量子力学最神奇的地方是，一个量子物理系统，可以同时处于两个不同的状态。你一定听过非常著名的“薛定谔的猫”，说薛定谔的猫，是一只半死半活的猫，如果你不去探测它具体是死是活，它的状态就是既死又活。注意，不是“半死不活”，而是“半死半活”，是两种状态都有可能，这就是量子系统一个非常神奇的特性。具体为什么量子系统会有这种神奇的特性，科学家目前还并不清楚。这其实是历史上的一个实验结果，当科学家去探测量子系统时，一模一样的量子系统用同样的方法测量，发现可能得出不同结果。譬如，100个完全一模一样的量子系统，测量100次，得到的结果其实是千奇百怪的，完全没有显著的规律。

当时的物理学家们非常崩溃，感觉物理学可能就没有存在过：面对一模一样的边界条件，一模一样的系统居然可以给出完全不同的结果，且似乎没什么规律,但经过长期研究后，物理学家们发现，量子力学不能用所谓“确定性”的语言去描述。一个量子系统，只能用概率的语言来描述，比方刚刚说的100个系统，你测100次可能没有什么规律，但如果测了1万次、10万次就可以看出一些规律了。也许测了10万次以后，你发现只有三种不同的结果，但这三种不同的结果出现的概率是恒定的，所以描述量子力学的语言是所谓的“概率的语言”。也就是，对于一个量子物理系统，我们的描述不再是“这个系统在什么情况下会处在什么状态”，而是“这个系统在某种测量方式下，它有多少概率会处在某种状态”。

还有，一个量子系统，你去测或不测，它的状态是不一样的。为了方便讨论，假设现在有一个量子系统，如果你去测量的话，它可能会呈现两种状态：状态1和状态2，概率分别是50%。如果你没测量，你只能说量子系统的状态是50%概率的状态1，加上50%概率的状态2，可是测量了之后你只能得到状态1和状态2当中的一个结果。所以描述一个量子系统时，一定要说清楚是测量前还是测量后，测量的动作会改变量子物理系统的状态。至此，物里学阵营就分成了两大流派，一派是以爱因斯坦和薛定谔为代表，另外一派是以玻尔和海森堡为代表。这一次耶鲁大学科学家的实验，其实就是在这两派中给出了“谁是对的”这个答案。

量子系统从未测量到测量后的状态发生了改变，但这个改变具体是怎么发生的，中间过程是什么样的？爱因斯坦一派和玻尔一派有了截然相反的解释。玻尔和海森堡这一派认为量子系统的转变，是瞬间转变，即不存在一个中间态，直接从一个50%状态1加上50%状态2的状态，直接变成了状态1或状态2。举个例子，就好比一根冰棍，你发现它突然变小了，玻尔和海森堡这派认为冰棍凭空的就变小了，没有人去吃它，也没有融化，它就是变小了，没有中间过程，具体转变怎么发生的是不可预测的。爱因斯坦就非常不乐意了，说出了著名的话：“上帝是不掷骰子的”。爱因斯坦认为任何转变都有因果关系。一根雪糕突然变小了，要么就是有人吃了它，要么就是融化了，一定有一个中间的连续的过程。这就是关于量子力学测量前后系统状态改变过程的争论，在80年之内都未得到很好的答案，且学界主流更偏向玻尔和海森堡这一派。

这次耶鲁大学科学家做的实验，似乎证明了爱因斯坦这一派是对的。这个实验相对来说比较复杂，且需要许多准备知识才能搞清楚，我把实验抽象化，给你描述一下。总得来说，耶鲁大学的科学家准备了一个量子系统，这个量子系统有3个量子态，分别叫做基态、第一激发态和第二激发态。基态能量是最低的，第一激发态比基态能量高，第二激发态又比第一激发态的能量高。

实验的目标是观察第一激发态有没有被粒子填满。第一激发态有没有被粒子占据，是未知的，它同时处在被粒子占据，又不被粒子占据的状态。如果要探测第一激发态的状态，又不破坏它，就不能对第一激发态进行直接观测，因为只要观测，它一定会给出一个确定的结果，会告诉你到底有没有粒子把它填满。如果要观察第一激发态具体怎么变化的，反而不能直接去测量它，因为测量之后，就看不出变化了，它的量子态就崩塌了，那实验又怎么能够给出第一激发态的信息呢？实验的原理其实是去研究第二激发态。我们可以观察第二激发态，第二激发态的状态其实是被第一激发态间接影响的。可以简单地认为第一激发态和基态有作用，第二激发态和基态也有作用，但第一激发态跟第二激发态没有作用。如果去探测第二激发态，它可以间接地给出第一激发态的信息，但同时我们并未直接探测第一激发态。因此我们就用一个间接方法，通过反向推导的方法来判断第一激发态到底处在什么状态，这就是这个实验的基本原理。

这个实验的结果是，第一激发态的变化是连续的，我们能够在这个实验中清楚看到第一激发态其实是在两个量子态之间来回转换的，它有一个连续过程，且这个实验能够做到一定的预测性。通过看第二激发态的表现预测第一激发态马上要发生改变，立刻再做一个实验操作，便可以把第一激发态马上要发生的改变阻止。即这个实验可以在不干扰第一激发状态的情况下去预测第一激发态的活动，这就充分证明了量子态转变，或者说波函数坍缩的过程，不是瞬间发生的，不是没有因果律的，而是有中间状态的。

就此看来，似乎爱因斯坦这一派是正确的，这也是为何主流媒体，包括很多科普自媒体都在说量子力学被推翻了。但这个论断其实是不准确的，不能说量子力学被推翻了，只能说玻尔和海森堡以及大部分人承认的这套量子力学有可能是不够完备的。这个实验其实刚刚出来，主流学术界的意见还没有达成一致，我相信今后会有非常丰富的讨论，我在此给出我自己的看法。到底是玻尔和海森堡错了，还是量子力学被推翻了？我觉得有两个半可能性。

第一个可能性是，确实爱因斯坦和薛定谔的观点是正确的，量子态之间的转化不是跳跃式的，是连续的，有因果律。这种情况下，理论物理学家就有事做了，因为现有的量子力学理论，没有任何一个理论去描述中间态，这是实验上发现的全新的东西，那就一定要发展一种新理论去描述中间态。

第二种可能就是，这个实验不一定本质上做对了。因为现有的量子力学，都会把这些量子系统处理成相互独立，所以才会出现间接探测第一激发态可以不影响第一激发态的方法。但如果现有的量子力学是不牢靠的，并不是本质，且目前一个很流行的量子理论叫量子纠缠才是本质的话，这就暗示可能并不存在相互独立的量子态，而是量子态都以微弱的方式相互纠缠。如果是这样的情况，这个实验就是失败的，因为实验尽管是间接测量，但因为基态、第一激发态、第二激发态其实并不独立，只不过现有的理论认为它没有内在联系。这种情况下，这个实验其实并不能说明什么问题，因为间接测量也是测量。

但不论哪种情况，量子物理的理论都要发生一定改动，不管你是不是承认量子力学的不可预测性。实验上已经做出了我们的理论解释不了的现象，这就说明我们的理论要更加完善才行。

后面半个可能性是，它其实变成了一个哲学问题。这里不得不提一下著名的德国哲学家康德，康德提出了一个非常著名的概念叫“物自体”，什么意思？就是彼岸。可以理解物质的本源，虽然存在，但是我们观察物体的方式是通过感官的，所以我们并没有办法触及物自体本身，我们能够触及到的只不过是物自体的属性。

我们的感官能够跟属性耦合，我们看到的只是我们的感官能看到的东西，它的本体是什么样永远不可知，这是康德的“不可知论”。这里的问题变成了，要去讨论到底什么叫做“真随机”，到底什么叫做不可预测性？

我提供一个我的观点：我觉得只要是真的不可知，就是真随机。

怎么理解呢？就是说，量子系统到底是不是真随机不重要，重要的是我们能不能理解它真随机的机制。即便我们通过这个实验知道量子系统是可预测的，但如果从实际操作上，我们没有办法预测它，它不在人类感官以及人类仪器的可感知范围内，即便理论上我们知道它存在，但只要我们无法知晓，它对我们来说就是真随机。所以从哲学意义上来讲，量子力学依然有可能是真随机的、不可预测的，这取决于我们能不能把真随机破解，如果能证明我们破解不了，它就依然是真随机。

总得来说，这次耶鲁大学科学家发现的实验结果，如果被论证是正确的，确实是推翻了玻尔和海森堡关于量子力学不可预测性的理论，量子力学在理论上变得可预测了。但可预测不代表我们真能预测，所以量子力学在实际操作层面的不可预测性可能对于人类来说还是存在的，这种情况下去讨论它是不是真的不可预测，就变得没有意义了。相信这一集你听得非常的烧脑，如果有什么问题，欢迎在留言区给我留言，我会尽我所能对你的问题进行回答。