王孟源：宣傳中國的量子衞星，別把“哥本哈根解釋”混進來

近日，觀察者網就一些熱點的基礎科研問題，再次請教了哈佛大學物理學博士王孟源先生，這些問答已經刊登在王先生的博客上，我們也刊載如下：

觀察者網：

1 今年中國大陸發射了量子衞星，量子力學的非定域性再次得到無漏洞驗證，具體報導見《愛因斯坦和玻爾的世紀爭論，在中國的“墨子號”量子衞星上得到檢驗》。愛因斯坦和玻爾的爭論真的被解決了嗎？

另外，一直致力於批評潘建偉實驗的北京大學王國文最近又寫了一篇文章，該如何評價？

2 在中國，玻爾的“哥本哈根解釋”經過朱清時院士的闡述，變成了“物理學步入禪境”、“客觀世界可能不存在”。清華大學的量子信息專家王向斌在為朱清時辯護的文章中説，在量子信息領域，經常要用到單次測量的結果，這會涉及到量子塌縮，並批評退相干即坍縮的説法。這種辯護該如何評價？

3 Wilczek提出的“時間晶體”的概念，近年來很火，但也有很多爭議。似乎概念的含義本身也沒有統一，許多説找到了“時間晶體”的實驗，算不算王先生所説的迎合熱點，追救護車？

4 上次我們就楊振寧投稿國際期刊遭拒，後在中國期刊順利發表的事情采訪了你，刊出後引起了許多讀者討論，你還有什麼要補充的嗎？

王孟源：

1

首先，你提到的那篇有關“量子衞星”的文章，引用自《墨子沙龍》（大概源自墨子衞星的團隊），內容是完全錯誤的。

量子力學是量子力學，哥本哈根解釋是哥本哈根解釋；兩者是獨立的理論，甚至不在同一個學科裏：前者是實驗可以驗證的，所以是物理，後者則是對前者的邏輯解釋，屬於物理數學。愛因斯坦的確對前者和後者都有質疑，但是我們不應該像《墨子沙龍》那樣把兩個分別的反對意見混為一談。

愛因斯坦對哥本哈根解釋的不滿，原因很簡單，就是哥本哈根解釋甚至無法有數學意義上的定義：“觀察者”（和觀察者網無關）是什麼？“觀察”是什麼？“實驗”是什麼？它們和宇宙日常運行的其他無數個事件有什麼不同？所以哥本哈根解釋在邏輯上根本就沒有一個結構可以討論。正確的理論是量子去相干，這在30年前歐美的物理數學界就已經確定，但是因為是個冷門題目，沒有很多論文發表，而且不是發表在“主流”物理期刊上，中國物理界似乎只有極少數人注意到。

至於愛因斯坦在那篇EPR論文中對量子力學本身的質疑，則完全是另外一回事。從量子力學創立之初，就有實驗暗示着非局部性（Non-locality，也有翻成“非定域性“），但是局部性卻是愛因斯坦推導相對論的基本假設之一（做物理專業的人，可以仔細想想Equivalence Principle的設定條件是什麼？兩個”局部“的系統…），雖然相對論本身和量子力學的非局部性可以勉強達成共存，亦即後者不能以超光速傳遞信息或能量，但是為什麼會有這樣的邏輯衝突，為什麼一個勉強的共存會存在，卻不是愛因斯坦這種有嚴謹邏輯思維習慣和能力的人，會願意像波爾那樣，草率放到一邊的。

愛因斯坦的那篇EPR論文，就是為了解決相對論和量子力學的非局部性之間的邏輯衝突，所做的一個嘗試。他的出發點當然是前者，所以假設後者只是一個假象，來自量子力學內部的未知結構；也就是，比量子力學更基本一層的理論應該是服從局部性的。貝爾後來也考慮了這個問題，認為愛因斯坦的假設是錯的，寫下了他的定理，然後後世的實驗一而再，再而三地證實了貝爾的想法。換句話説，量子力學的非局部性是Irreducible（無可簡化的）。《墨子沙龍》裏，把這稱為哥本哈根解釋的勝利，真正是莫名其妙。就算他們忘記哥本哈根解釋不是物理，先天就不可能用實驗證實或證偽，也該知道玻爾根本就懶得討論非局部性和相對論之間的衝突，更對非局部性能否被簡化完全無感。貝爾則和愛因斯坦一樣，知道哥本哈根解釋是個胡扯，他相信的是與之敵對的Bohmian Mechanics。《墨子沙龍》的作者如此顛倒黑白，張冠李戴，用句中國常見的玩笑話來説，能壓得住貝爾祖師爺的棺材板嗎？

“墨子號”科學實驗衞星

我稱貝爾為祖師爺，是有道理的。現在流行的所謂“量子通信”，其實就是貝爾實驗把兩個粒子的距離拉開到幾百或幾千公里的成果。在有這個工業應用之前的幾十年裏，潘建偉這樣的人都會被稱為貝爾實驗的專家。專門做了一輩子的貝爾實驗，卻始終沒有去讀懂貝爾的著作，以致至今仍然相信哥本哈根解釋，是件非常非常奇怪的事情。

至於王國文的文章，討論的是Bohmian Mechanics的一個引申，也就是把點粒子換成波包。這似乎是最近兩三年的一個新嘗試，我以前沒有注意到，王國文也沒有列舉這個新理論的出處和任何參考數據，所列的參考文獻都是早年量子力學的經典著作。他文章中提到的澤亞·梅拉利（參見https://www.nature.com/news/quantum-physics-what-is-really-real-1.17585）其實並不是牛津大學的教授，而是英國媒體界的一個科普作家，那篇《Nature》的文章，也不是專業論文，而是介紹牛津的Owen Maroney團隊的一個關於Bohmian Mechanics（王國文把它叫做德布羅意理論，其實是同一件事，Bohm繼承了de Broglie的思路而完善之）實驗（也就是觀察BM的數學模型在巨觀系統下的一個體現，邏輯上來説並不能證實或證偽BM，然而BM原本就是物理數學而不是物理）的新聞稿。不過除了前述無關宏旨的一些小毛病，他文章的主軸，也就是對貝爾實驗的詮釋，遵循愛因斯坦 - de Broglie-Bohm-貝爾一系的正統思想，沒有什麼可爭議的。

我對他所解釋的那個Bohmian Mechanics的引申，很有興趣，會繼續找資料來做深入瞭解。這是因為王國文宣稱把點粒子換成波包之後，就可以直接相對論化。Bohmian Mechanics唯一的大缺點就在於不能與量子場論兼容；過去60多年，一直有人努力不懈地鑽研這個冷門的題目，想要突破這個難關。把點粒子換成波包，對我來説，是一個很有潛力的點子，有可能會讓BM和相對性量子力學（量子場論又更復雜）兼容，那麼或許就能解答前面提到的為什麼相對論本身和量子力學的非局部性可以勉強達成共存的難題。

BM本身就是顯性的非局部（Explicitly Non-local），所以它的引申也同樣地會有顯性的非局部性。BM解釋貝爾實驗不但是小菜一碟，而且原本就是貝爾自己用的理論。貝爾實驗證偽的，不是潛變量（Hidden Variables），而是愛因斯坦的EPR論文裏面假想的遵守局部性的潛變量理論。

2

單粒子（Single Particle，沒有縫隙，也沒有牆）系統沒有任何物理反應，所以當然用不上量子去相干；但是單事件（Single Event）實驗絕對可以用量子去相干來解釋清楚。請注意，量子去相干不但沒有“塌縮”這個説法，它原本就是為了詳細解釋塌縮這個假象而發展出來的。

王向斌所説的“測量完成後，任何被測系統在所測的物理量相應的空間中都得是一個純態，即不能與任何別的東西糾纏”，是他錯誤的核心。量子去相干理論真正説的，剛好相反，就是測量的過程正是讓被測量的粒子和測量儀器做反應，從而形成兩者之間的糾纏，同時打破被測量的粒子原本在幾個不同量子態之間的相干性（靠的是測量儀器的大量凝態粒子的自我相互作用來消滅相干性）。被測量粒子和測量儀器之間形成完美的糾纏態，而不是純態。

用雙縫實驗做具體的例子：被測量粒子是單個入射光子；“測量儀器”則是那面牆，測量的物理量是光子的位置。光子經過雙縫的時侯，走A路和走B路的波函數是疊加的，這時A和B就是所謂的“相干”。這和古典粒子隨機決定走A路和走B路不同，因為古典隨機現象疊加的是機率密度，而量子現象疊加的是波函數；前者是後者在向量空間的自我做張量外積（Tensor Product）後的對角線項，一般説成是平方。因為在隙縫處兩個波函數疊加，所以從隙縫到牆之間，經過薛丁格方程式的演化，在牆上的波函數分佈仍然同時有A和B的貢獻，於是產生了複雜的條紋，這叫做“干涉”。討論到目前為止，都屬於標準量子力學的範疇，可以用實驗證明，沒有任何爭議。

波函數在牆上各個不同位置的可能性，也是疊加的，換句話説，仍然處於相干態。然後光子與牆作用，只有一個點亮起來，於是光子的位置被確定了，實驗完成。在最後這一步，才出現對其背後邏輯的分歧看法，有了各種“解釋”。

Copenhagen解釋説，測量儀器和觀察者都是系統（即這個單一光子）之外的神秘物體，波函數只對系統有效（只考慮被測量粒子，而不管粒子與儀器的互動，其實是Copenhagen解釋的基礎邏輯錯誤）。“儀器”、“測量”、“觀察者”和“觀察”都無法定義，反正人看到了自然會知道。那麼既然只有光子有波函數，它撞牆的過程就必須從原本所有可能位置的相干態，一瞬間轉變為集中在亮點的純態，這被波爾叫做“塌縮”（Collapse）。至於在人類演化之前，顯然沒有任何可能的“儀器”、“測量”、“觀察者”和“觀察”，量子事件是怎麼塌縮的，就不關波爾的事了。Copenhagen解釋對懶得用腦的實驗者來説，是個很直覺、容易上手的經驗準則，但是完全經不起邏輯的推敲。

量子去相干則不一樣。它説整個宇宙只有一個波函數，包含了每個粒子。相互之間沒有作用的粒子，原本的多變量波函數可以Degenerate，分解成為個別粒子的波函數的簡單乘積，所以光子的飛行過程，可以看作是單粒子波函數的演化。但是光子撞牆，就是它和牆內部的極大數量處於凝態的原子有了作用，這個過程絕對不能看作是單粒子波函數的自行演化，而必須是“光子+牆”（也就是”被測量粒子+測量儀器“）這個巨觀系統的波函數的共同演化。因為牆處於低温凝態，每個原子的位置都是固定的，沒有任何不同可能位置之間的不確定性和相干性，一旦光子和它作用，形成完美的糾纏，就以大欺小，把光子不同位置之間原本的相干性用巨量的原子稀釋掉了（到非常接近於零，但不是數學上的零，只是物理上的零，亦即無法用實驗與真零分辨出來）。這個過程叫做“去相干”；它不是什麼神秘的新機制，而仍然遵守着薛丁格方程，只不過因為是數量極大的多體問題，所以不能有確解。這個過程的結果，不是一個純態，而是”被測量粒子+測量儀器“之間的糾纏態。

Einstein所説的“上帝不擲骰子”，指的是Copenhagen解釋裏塌縮的過程中，原本光子有無限多個可能的位置，必須一瞬間丟棄近淨，新的波函數里只剩下一個單一的測量結果，就像擲骰子一樣。相對的，量子去相干解釋裏，原本光子的所有不同可能位置，仍然被包含在新的波函數里，並沒有被捨棄；但是波函數已經不再能被視為個別粒子的波函數的簡單乘積，而是一個巨觀系統的波函數，所以不確定性仍然在，只是相干性被稀釋光了。換句話説，新的波函數仍然包含着所有光子原本所有可能的位置a，b，c，d，e…，但是它們之間沒有相干性，所以波函數在向量空間的表象裏，出現了另一個與前不同的簡化，是波函數分解成對應a，b，c，d，e…等等可能性的OR和（即只有一個能留存），不論現實走上哪一條路，新波函數的演化都好像只對應着一個單一的測量結果。

我想很顯然的，量子去相干不但沒有任何定義上的困難，而且邏輯嚴謹自洽，推演過程自然，應用在沒有人類的宇宙中，也完全沒有問題。王向斌的毛病，出在他先接受Copenhagen解釋的歪論，得到一個錯誤的結論（即光子必須處於純態），然後用它來“證偽”量子去相干。

總結來説，單粒子一旦被“測量”，就是與測量儀器有了作用，也就不能再被視為獨立的系統；新的系統是巨觀的，包括了被測量的粒子和測量儀器，如果“觀察者”操作了儀器，那麼他也參與了作用，必須也被包括到系統裏面。這時系統有很複雜的量子糾纏，波函數不能沿觀察者/儀器/粒子的分界線分解開來，但是因為巨觀凝態系統能夠去相干，所以反而可以沿着去相干的維度（對應着不同測量結果）來分拆。以上是量子去相干的核心論點，但是現實是否只有一個，它在不同測量結果之間如何做選擇，這就超越了量子去相干理論的範疇，需要進一步的理論分析。Bohmian Mechanics認為現實對應着一個隱藏的點粒子，並以此為根據，建立了完整的邏輯體系。

我個人覺得BM是目前最好的解釋，但是仍然不完美，所以大概不是最終的解釋。然而量子去相干卻完全沒有疑義，它是量子力學測量過程的邏輯正解，任何堅持Copenhagen解釋的文章，都是拒絕接受科學的進步，固守已被淘汰的破產理論，如同古人假想有天神存在一樣，在事實和邏輯上原本就是站不住腳的假設，現在有了邏輯嚴謹的替代理論，是該放棄的時候了。

3

話題轉到Frank Wilczec。他所發明的這個所謂“時間晶體”（Time Crystals），其實只不過是一個週期穩定的多體系統，就像地球繞着太陽轉，也是週期性的多體系統，但是在微觀尺度下，因為量子效應，就有可能自我穩定，能抗拒一點擾動。如果我們誠實地只把它叫做“週期穩定的多體系統”（Periodically Stable Multibody System，PSMS），那麼它因為沒有任何實用性，而且聽起來像是PMS（Post Menstrual Syndrome，月經後症候羣），就會理所當然地無人理睬，淪為千千萬萬個冷門的項目之一。

事實上，如果和上週我們談過的楊振寧被PRL拒稿的論文相比，楊先生所討論的一維多體系統，不但給出了詳細的確解，而且在數學上也有廣泛的可能應用，照理説應該比時間晶體重要而且熱門多了。那麼，為什麼實際現象是剛好相反的呢？

除了Wilczec的朋友門徒眾多，在美國物理界的政治能量遠高於現在的楊先生之外，他為自己論文所取的“時間晶體”這個名字，真正是營銷學裏的經典之作。雖然沒有什麼深刻的內涵，而且Wilczec自己只不過是籠統地做了個提議，不但沒有做出詳解，而且連有什麼限制和性質都必須等其他人研究出來，例如後續的研究才發現時間晶體不可能處於平衡態（Equilibrium）。但是晶體正是整個凝態物理一貫的核心研究對象，人人都熟悉；而從空間扯到時間則暗示着凝態物理也可以搞相對論了，所以光是這個名字就極為高大上，一看就是熱門流行的品牌。更妙的是，只須要把凝態物理既有的技巧從空間轉到時間，真正是任何一個專家（愛因斯坦對專家的定義是訓練有素的狗）都不費什麼心思就可以出論文的題目。

有了響亮的品牌名稱和基本盤（即Wilczec的朋友門徒），一個新產品要成功，只需要有初始的市場能量（Market Momentum）。在這方面，Wilczec自己什麼真正的研究也沒做，就反而是關鍵了。正是因為真正的研究完全沒有開始，隨便一搞一大堆成果，所以論文特別容易寫。一旦大家被吸引進來，又自然有網絡效應，保證互相引用（Citations）數量極大。這樣一來營銷的能量就會自行累積，很快成為現象級的產品。我在前一陣子討論有關“天使粒子”的炒作，其實那些人背後的考慮也是一樣的，只不過那個名字太牽強，宗教意味太濃，反而對行內人沒有吸引力；再加上出論文還不到時間晶體這麼容易，所以雖然也搞了起來，熱度就差了一個數量級。如果像楊先生那樣，喜歡在一篇論文內就涵括所有可能做的出來的研究結果，那麼除非他剛好解答了一個古老的極為困難又極大的問題（例如Yang-Mills），後續論文數量自然很接近零，引用的數量也不會太多，結果就只能是冷門中的冷門。

所以Frank Wilczec成功而楊振寧失敗的關鍵，就在於後者只懂得做科學研究，而前者卻是當代物理界自我炒作、建立品牌方面的絕對大師。Wilczec不但和楊先生一樣有諾貝爾獎，而且他是古今中外、獨一無二、絕無僅有、獨步天下的高中科學展全國金牌獎（美國的原本叫做西屋科學展，後來改由Intel資助）兼諾貝爾物理獎雙料得主。這些科學展每年都有金牌獎得主宣稱已經治癒癌症，或者解決全球暖化，或者能提供無限廉價而清潔的能源等等，但是他們一旦拿着獎牌進了大學，就從來沒有任何一個研究結果真正進入人類社會。換句話説，這些科學展評比的，不是研究本身，而是如何炒作假大空的研究結果。所以Wilczec的確有世界級的過人天賦，從小就在自我炒作方面脱穎而出。

這些科學展金牌獎得主不但高中時代的研究結果沒有下文，而且後來也不可能自己做出諾貝爾獎級別的創新。那麼Wilczec的諾貝爾物理獎是怎麼來的呢？他21歲那年，剛進研究所不久，拿着科學展金牌獎得主的光環，得以成為名教授David Gross的學生。當Gross證明Yang-Mills方程式可以產生強作用力的已知特性，從而確立QCD為標準模型的一部分時，他自然成為第二作者。也就是他運氣極佳；若是早五年或晚五年生，David Gross的學生和第二作者就會是另一個人，Wilczec也就不可能得諾貝爾獎了。這樣的運氣當然是罕見的；而且近年的Intel科學展金牌獎得主在進了名校（一般是Stanford或MIT）之後，往往很誠實地轉行學商，準備到硅谷去創業。如此一來，要有後輩重複Wilczec的雙料得獎，可能性就越來越低。

你所懷疑的，時間晶體是迎合熱點的一個例子，不但正確，而且它其實是創造熱點的經典範例，商學院應該把它列入教科書才對。不過，當理學院的大師搞的其實是商學院的高招時，他們出版的研究結果自然就很可疑了。我最早是在高能物理注意到這類運作（Wilczec也是高能物理出身的）：這樣的教授通常廣收門徒，以便結黨成派；在做Brainstorming時，討論也會非常關注如何，1）為題材選擇響亮的名字，和2）留下空檔，以方便後續論文發表。30年下來，高能物理不這麼幹的都退了，只剩下這些職業政治家兼營銷大師當權；與此同時，整個領域的實際進展也完全停滯，從科學轉化為玄學。我不能確定，這兩個現象，那個是因，那個是果，但是凝態物理現在也開始轉變為營銷專業户，這對整個行業來説，不可能是個好現象。

4

經過分析之後，楊先生那篇論文被《Physical Review Letters》拒稿顯然是因為題材不夠熱門之故，和研究水平高低沒有關係。我看了看讀者的評論，注意到大多數的專業研究人員都對學術界追求熱門流行的現象很熟悉，但是很少有人質疑這個現象本身的好壞對錯。上次我評論張首晟一事，批評他是專門”追救護車“的，居然還有人説本來做學術就應該這樣，我對追救護車的負面態度是好高騖遠，誤導學子。其實當時的話題是張首晟把自己吹噓成諾貝爾獎熱門，而諾貝爾獎最重要的評選標準之一就是創新性，絕對不應該是追救護車的研究；進物理這個領域，則當然不應該是為了想得諾貝爾獎。那麼把諾貝爾獎的標準和入行的理由扯在一起，純粹只是運用了轉變話題、自己樹靶自己打的狡辯術（英文叫做Straw Man Fallacy）。

專業期刊只登熱門的題目，研究者為了出論文，也就只能追救護車，這不止對行業自身不是好事，對人類社會更有長期的負面影響。不追救護車，並不意味着孤注一擲、只想打全壘打，反而是可以研究千千萬萬冷門的題材，而引領出看似微小但仍然可能重要的創新。所有的人才都專注到少數幾個熱門的項目上，不但必然有重複浪費，而且一個行業自身不可能有對人類世界的全局觀，靠Herd Mentality（獸羣心態）而自我定義的重要題目，也就會有偏差，掛一漏萬，何況尖端的研究方向，原本就不可能事先準確預期有多大的發展。現代學界的終身教授制，就是針對這個問題而建立的：雖然明明知道必然會有懶人、庸人鑽漏洞，像海鞘一樣安定下來就先消化掉自己的大腦，但是兩害相權之下，不讓教授能安心鑽研冷門的題材為害更大。中國學術界的管理者應該好好想清楚這個道理，然後對目前兩害兼有的半吊子制度做出適當的改革。

我不但與楊先生從未謀面，原本連他的論文都沒有讀過。這是因為他比我早了兩代，所創作的理論又極為重要，早已被後人詳細整理闡述，我也就無須去讀原版。但是我在台灣清華求學時，就聽剛從美國迴歸的師長提起，説楊先生的論文，文字極為簡練、直接、易讀，然而邏輯嚴謹、環環相扣、無懈可擊，是完美的專業寫作風格。我後來自己到美國，花了十年以上練習寫作，一直都把這個評語記在心裏，作為努力的目標。如果我的讀者也覺得我的文章，夠得上同樣的形容，那麼那些努力就不算白費了。