為什麼物理學家在一百年後仍然無法完全理解量子理論？_風聞
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量子力學描繪了一個反直覺的現實：觀察的行為會影響被觀察的對象——⽽關於這種現象的本質解釋，科學界⾄今仍未達成共識。
撰文 | 肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）
譯者 | Muyu Mou
審校 | 江千月
論文題目：
Why even physicists still don’t understand quantum theory 100 years on
論文地址：
https://www.nature.com/articles/d41586-025-00296-9
每個人都有自己鍾愛的小技巧，儘管他們未必真正理解其原理，但這些技巧總能可靠地完成某些任務。在過去，可能是當電視畫面模糊時拍打電視機的頂部；如今，我們習慣於通過重啓計算機解決問題。量子力學——現代物理學中最成功且最重要的理論——也是如此。它運作得非常出色，能夠解釋從激光、化學到希格斯玻色子以及物質穩定性等各種現象。但物理學家們並不知道其中的原因。或者至少，即使有些人認為自己知道原因，大多數人也不會同意。
量子理論的一個獨特之處在於，我們描述物理系統的方式與觀察它們時所看到的現象是不同的。因此，量子力學的教科書規則需要引入特殊的過程來描述“測量”或“觀察”，這與之前所有的物理學框架都不同。作為⼀個領域，整個物理學界對此既缺乏共識性解釋，亦未就其內涵達成統⼀認知。
自然界中量子行為的初步跡象出現在物理學家馬克斯·普朗克（Max Planck）1900年和阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）1905年的研究中。他們表明，光的某些特性可以通過將其視為離散的、類似粒子的“能量包”來解釋，而不是經典電磁學所描述的平滑波。但他們的想法並未能描述一個完整的理論。直到1925年，德國物理學家維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）⾸次提出完備的量子力學形式體系。同年晚些時候，馬克斯·玻恩（Max Born）和帕斯夸爾·約爾丹（Pascual Jordan）與海森堡合作完善理論，而埃爾温·薛定諤（Erwin Schrödinger）也很快獨立提出了該理論的另一種表述[1]。
因此，將2025年視為量子理論的真正百年紀念是合理的。儘管這樣的紀念活動可以恰當地展示眾多令人驚歎的實驗成功，但它也必須留出空間來承認那些尚未解答的基礎問題。量子力學是一座美麗的城堡，而如果能確認它並非建立在沙土之上，那將是一件令人欣慰的事。
與過去的決裂：從經典力學到量子力學
自艾薩克·牛頓（Isaac Newton）在17世紀提出經典力學以來，物理學理論一直遵循着一種明確的模式。你有一個被研究的系統：可能是一顆繞恆星運行的行星，一個電場，或一盒氣體。在任何時刻，系統的狀態都通過其“狀態”來描述，這包括系統的當前配置及其變化率；對於一個無特徵的單粒子來説，這相當於它的位置和速度（或等效地，動量）。給定其當前狀態，然後通過運動方程（equations of motion）即可告訴我們系統將如何演化。這一基本方法適用於從萬有引力到相對論的一切理論，而相對論與量子理論一樣，都是20世紀初的產物。但隨着量子力學的出現，這一模式突然失效了。
經典範式的失敗可以追溯到一個單一而具有挑釁性的概念：測量。測量這一理念和實踐的重要性自科學家誕生以來就得到了認可。但在前量子理論中，這一基本概念被視為理所當然。任何物理理論假設的實在量，都被默認為在特定情境下具有確定數值，研究者只需通過測量手段加以驗證即可。如果你是⼀個粗⼼的實驗者，實驗操作或會產⽣顯著誤差，或在測量過程中干擾系統，但經典理論認為這些均屬技術侷限，並非物理規律的本質特徵。通過更加努力，你可以儘可能精細和精確地測量事物，至少在物理學定律允許的範圍內。
量子力學講述了一個截然不同的故事。在經典物理學中，像電子這樣的粒子在任何給定時刻都具有真實的、客觀的位置和動量，而在量子力學中，這些量在測量之前通常並不以任何客觀方式“存在”。位置和動量是可以被觀察到的，但它們並不是預先存在的事實。這是一個相當大的區別。這種情況最⽣動的體現是海森堡在1927年提出的不確定性原理，它指出：電⼦不可能處於某個使我們能夠同時精確預知其位置與動量的量子態[2]。
量子理論轉而採用波函數（wave function）來描述系統的狀態，這一概念由薛定諤在1926年引入[3]，並伴隨着以他命名的方程，描述了系統如何隨時間變化。對於單電子來説，波函數是一個分配給每一個可能觀察到電子位置的值——換句話説，它可能主要侷限在原子核附近，也可能廣泛分佈在空間中。
棘手之處在於波函數與可觀察量（如位置和動量）之間的關係。玻恩在薛定諤的原始論文發表後不久給出答案[4]。根據玻恩的解釋，我們永遠無法精確預測量子測量的結果。相反，我們可以通過計算波函數在該位置的平方來確定電子位置的任何特定結果的概率。這一方法徹底顛覆了自牛頓時代以來一直佔據主導地位的確定性、機械宇宙的理想。
量子糾纏：尚未逾越的鴻溝
回顧過去，令人印象深刻的是，一些物理學家能夠如此迅速地接受這一轉變。當然，並非所有人都如此。愛因斯坦和薛定諤等傑出人物對新的量子共識並不滿意。這並不是因為他們不理解它，而是他們認為新規則必須是一個更全面理論的墊腳石。
不確定性現象的出現常常被描繪為他們反對量子理論的主要理由——用愛因斯坦那句令人難忘的話來説，“上帝不會擲骰子”。但真正的擔憂更深層次。愛因斯坦尤其關心局域性，即世界由存在於時空特定位置的事物組成，直接與附近事物相互作用。他還關心實在論，即物理學中的概念映射到世界真正存在的特徵，而不僅僅是計算上的便利。
愛因斯坦最尖鋭的批評出現在1935年著名的EPR論文中（EPR是以他和他的合著者鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和內森·羅森（Nathan Rosen）的名字命名），標題為“量子力學對物理實在的描述是否完備？”[5]。作者們基於他們強調的一個關鍵量子現象——後來被稱為糾纏——對這個問題給出了否定的回答。
如果我們有一個單粒子，波函數會為它可能具有的每一個位置分配一個數字。根據波恩規則（born rule），觀察到該位置的概率是該數字的平方。但雙粒子系統並非由兩個獨立波函數描述，量子力學要求為兩粒子所有可能的聯合構型賦予單⼀數值。隨着我們考慮越來越大的系統，它們繼續由一個單一的波函數描述，直到整個宇宙的波函數。
因此，觀察到一個粒子在某處的概率可能取決於我們觀察到另一個粒子在何處，而且無論它們相距多遠，這一點都成立。EPR分析表明，即使將兩個糾纏粒子分別置於地球與數光年外的行星上，我們對遠處粒子的測量預測可能會“立即”受到我們對附近粒子測量的影響。
對“立即”加引號是在提醒我們，根據狹義相對論，即使是“同時”這一概念對於空間中相距遙遠的點也沒有明確的定義，這一點愛因斯坦比任何人都更清楚。糾纏似乎違背了狹義相對論的原則，暗示信息傳播速度超過光速——否則遠處的粒子如何“知道”我們剛剛進行了測量？
我們實際上無法利用糾纏來進行遠距離通信。在這裏測量我們的量子粒子，我們現在知道了一些關於遠處將觀察到的信息，但任何真正在遠處的人無法獲得我們所擁有的知識，因此並沒有發生通信。但至少在量子理論描述世界的方式與我們認為的愛因斯坦相對論中的時空運作方式之間存在某種張力。
重拾現實：從認識論到本體論的一些探索
解決這一張力的嘗試層出不窮，但尚未達成明確的共識。事實上，圍繞我們能想到的最核心問題，仍然存在重大分歧：量子波函數是否應該代表現實，還是它只是我們用來計算實驗結果的概率的工具？這一問題從根本上分裂了愛因斯坦和丹麥物理學家玻爾（Niels Bohr），他們在幾十年來關於量子力學意義的著名辯論中針鋒相對。愛因斯坦和薛定諤一樣，是一個徹底的實在論者：他希望他的理論描述一些我們可能認為是物理現實的東西。玻爾與海森堡則願意放棄任何關於“真正發生了什麼”的討論，轉而專注於對測量時會發生的事情進行預測。
後一種觀點催生了量子理論的認識論詮釋（‘epistemic’ interpretations）。玻爾和海森堡的觀點被稱為哥本哈根詮釋，它與今天物理學家在教科書中教授的內容非常接近。現代版本包括量子貝葉斯主義（QBism）[6]和關係量子力學[7]。這兩種解釋都強調量子狀態不應被視為獨立存在，而應僅相對於觀察者、測量過程以及該過程中知識狀態的變化來考慮。
認識論方法的一個優點是，關於超光速影響的擔憂消失了。當觀察者進行測量時，他們更新了自己的知識；沒有任何物理上的東西從一個糾纏粒子傳遞到另一個粒子。缺點是這些方法完全迴避了現實究竟是什麼的問題，而這（或應該）對物理學很重要。鑑於波函數在某些情況下確實表現得像一種物理實體，這一點尤其成問題。例如，波函數可以自我干涉，正如雙縫實驗所展示的那樣。一個通過兩個窄縫的波函數在另一側重新組合時，會根據波的振盪產生相長或相消干涉。這聽起來確實像一種真實物理實體的行為。
另一種方法是本體論方法，接受量子狀態代表現實（至少部分）。問題在於，我們從未“看到”波函數本身；我們只使用它來對我們所看到的東西進行預測。我們可以將波函數視為許多可能測量結果的疊加。但一旦我們進行了測量並記錄了一個結果，就很難不認為這個結果是真實的，而不是之前抽象的疊加可能性。
有許多量子力學的本體論模型試圖調和波函數的中心地位與其與觀察之間的棘手關係。
a. 在由戴維·玻姆（David Bohm）在20世紀50年代初全面發展的導波或隱變量模型中，波函數是真實的，但還有額外的自由度代表粒子的實際位置，而後者才是被觀察到的[8, 9]。
b. 在由休·埃弗雷特（Hugh Everett）稍後提出的多世界詮釋中，觀察者與他們測量的系統糾纏在⼀起，每⼀個允許的結果都在波函數的不同分⽀中實現，這些分支被解釋為平行世界[10]。
c. 在各種形式的客觀坍縮模型中[11, 12]，波函數偶爾會自我調整（違反傳統的薛定諤方程），以看起來像我們觀察到的半經典現實。
儘管這些方法通常被視為量子力學的競爭性解釋，但這是一種誤解，因為它們是不同的物理理論。客觀坍縮模型具有各種明確的實驗後果；最引人注目的是，當波函數客觀坍縮時，違反了能量守恆原則，這可能在超冷原子系統中被觀察到。測試正在進行中，但尚未發現這些效應的證據。據我們所知，沒有任何實驗可以區分導波方法和埃弗雷特方法。（每種方法的支持者往往認為另一種方法根本就是定義不清的。）
因此，物理學家們對於測量究竟是什麼、波函數是否代表物理現實、是否存在除波函數之外的物理變量，或者波函數是否始終遵守薛定諤方程等問題尚未達成一致。儘管如此，現代量子力學已經為我們提供了一些科學中最精確的預測，理論與實驗吻合度可達小數點後許多位。
相對論量子場論是現代粒子物理學的基礎，必須被視為量子力學最偉大的成功之一。該理論以充滿全空間的量子場為出發點，兼容粒子產生湮滅現象與相對論對稱性。量子理論的規則意味着，這些場中的微小振動自然看起來像是單個粒子的集合。這些振動間的迭代作用產生了從夸克禁閉（quark confinement）到希格斯玻色子（higgs boson）存在等大量被實驗完美證實的現象。這種粒子源於瀰漫在所有空間的希格斯場（higgs field）中的振動，它賦予其他粒子質量，並解釋了為什麼弱核力的作用範圍如此之短。根據宇宙膨脹理論，恆星和星系的起源甚至可以追溯到早期宇宙密度的微小量子變化。
未竟之地：量子場論與時空彎曲
儘管取得了所有這些成功，量子場論也有自己的謎題。眾所周知，對兩個粒子散射概率的量子修正的簡單計算通常會導致無限大的答案——這並不是你希望概率具有的特徵。現代物理學通過使用“有效場論”來處理這一問題，這些理論試圖僅描述在（相對）低能量和動量下的過程，而其中完全不存在這些麻煩的無限性。
但這一框架仍然給我們留下了“自然性”問題。在有效場論方法中，我們在低能量下觀察到的參數代表了在極高能量下不可觀察過程的綜合效應。這種理解使我們能夠預測諸如希格斯質量或真空能量密度等參數的自然值。但這些參數的觀測值遠低於預期——這一問題仍在等待令人信服的解決方案。
然後，還有最大的問題：構建一個基本的量子引力理論和彎曲時空的困難。該領域的大多數研究人員認為，量子力學本身不需要任何修改；我們只需要弄清楚如何以一種一致的方式將彎曲時空融入故事中。但我們似乎離這一目標還很遙遠。
與此同時，量子理論的無數表現形式繼續在越來越多的相對接地氣的技術中找到應用。量子化學正在為先進藥物、奇異材料和能量儲存的設計開闢新途徑。量子計量學和傳感技術正在實現對物理量的前所未有的精確測量，甚至包括檢測由十億光年外的黑洞產生的引力波引起的微小擺動。當然，量子計算機有望以經典原理無法實現的速度執行某些計算。
所有這一切都是在量子力學基礎解釋尚未達成共識的情況下發生的。歷史經驗表明，技術進步往往倒逼基礎理論的改進。我們不斷髮明新的方法來敲打名為現實的電視機，仍然樂觀地認為模糊的畫面最終會變得清晰。
參考文獻
[1] Camilleri, K. Nature 637, 269–271 (2025).
[2] Heisenberg, W. Z. Phys. 43, 172–198 (1927).
[3] Schrödinger, E. Ann. Phys. 384, 361–376 (1926).
[4] Born, M. Z. Phys. 37, 863–867 (1926).
[5] Einstein, A., Podolsky, B. & Rosen, N. Phys. Rev. 47, 777–780 (1935).
[6] Mermin, N. D. Nature 507, 421–423 (2014).
[7] Rovelli, C. Preprint at arXiv https://doi.org/10.1007/BF02302261 (1996).
[8] Bohm, D. Phys. Rev. 85, 166–179 (1952).
[9] Bohm, D. Phys. Rev. 85, 180–193 (1952).
[10] Everett, H. III. Rev. Mod. Phys. 29, 454–462 (1957).
[11] Ghirardi, G. C., Rimini, A. & Weber, T. Phys. Rev. D 34, 470–491 (1986).
[12] Penrose, R. Gen. Relat. Grav. 28, 581–600 (1996).
本文經授權轉載自微信公眾號“集智俱樂部”。
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