第6章 哥本哈根解释

亲爱的读者，如果你一路跟着我们走到了这里，想必你已经见识了不少量子世界的疯狂事。电子像幽灵一样同时穿过两道缝，海森堡告诉你永远无法同时知道粒子的位置和动量，薛定谔则干脆把一只猫关进了毒气箱——活活弄成了不死不活的怪物。你可能会问：这一切到底是什么意思？这些疯狂的结论，难道就是物理学的终极答案吗？

别急，这正是本章要回答的问题。我们将要探讨的，是量子力学最正统、最主流、也最饱受争议的解释——哥本哈根解释。它由尼尔斯·玻尔和他的弟子们创立，统治了量子世界近一个世纪。有人说它是人类思想史上最深刻的洞见之一，也有人说它简直是在胡说八道。但无论如何，要理解量子力学，你就必须先理解哥本哈根解释。就像要理解现代艺术，你得先理解毕加索一样。

6.1 互补性原理：波与粒子的双面人生

6.1.1 一场持续三百年的战争

让我们先回到一个古老的问题：光，到底是什么？

三百多年前，牛顿认为光是粒子。他说，你看光走直线，碰到镜子会反射，这不就跟台球桌上撞来撞去的台球一样吗？牛顿的威望太大了，以至于整个十八世纪的物理学家都跟着他相信“光的微粒说”。可到了十九世纪初，一个叫托马斯·杨的英国人做了个实验——双缝干涉实验。他发现光通过两条狭缝后，会在后面的屏幕上形成明暗相间的条纹。这怎么可能？如果是粒子，它们应该像子弹一样，在屏幕上留下两条痕迹才对。只有波才会相互干涉，形成这种条纹。于是，波动的观点占了上风。麦克斯韦更是用他那优美的方程组证明，光就是电磁波。看起来，波和粒子的战争，波赢了。

然而，爱因斯坦在1905年横空出世。他提出，光其实是由一个个“光量子”组成的。当光照到金属上时，每个光量子就像一颗小炮弹，把电子从金属里打出来——这就是光电效应。爱因斯坦因此获得了诺贝尔奖。这下可好，光到底是波还是粒子？这个问题，让物理学家们纠结了整整一个世纪。

6.1.2 电子也来凑热闹

你以为只有光这么奇怪吗？电子也来凑热闹了。1924年，一个法国贵族德布罗意在他的博士论文里提出：电子也应该有波动性。他说，既然光既是波又是粒子，那么电子为什么不能既是粒子又是波呢？这个想法在当时简直是石破天惊。但实验很快就证明了他是对的。1927年，戴维森和革末在贝尔实验室里，把电子射向镍晶体，结果看到了清晰的衍射图案——这分明就是波的特性！这下物理学家们彻底傻眼了。电子，这个我们一直以为是粒子的东西，竟然也有波的性质。那么问题来了：电子到底是粒子还是波？

答案是：看你怎么观察它。

6.1.3 波粒二象性的本质

现在，让我们用更严谨的方式来理解这个问题。在经典物理学中，我们习惯于认为一个物体有“本来”的属性。比如，一个苹果是红色的、圆的、甜的。这些属性是苹果固有的，不管你看不看它，它都是这样。但在量子世界里，情况完全不同。电子“本来”是粒子还是波？这个问题本身就没有意义。所有的属性都是同观察联系在一起的。让“本来”见鬼去吧。

但是，一旦观察方式确定了，电子就要选择一种表现形式。它得作为一个波或者粒子出现，不能再暧昧地混杂在一起。波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们却在一个更高的层次上统一在一起，作为电子的两面被纳入一个整体概念中。这就是玻尔的互补原理。

6.1.4 一个经典的视觉错觉

让我们用一个经典的视觉错觉来帮助你理解互补原理。请看下面这张图：如果你把白色当作底色，你会看到两个相对的人脸。如果你把黑色当作底色，你会看到一个白色的花瓶。那么，这张图“本来”是人脸还是花瓶？答案取决于你采用哪一种观察方式。但没有什么绝对的“本来”，没有“绝对客观”的答案。人脸和花瓶在这里是“互补”的。你看到其中的一种，就自动排除了另一种。但这并不意味着人脸和花瓶是互不相干的——它们实际上是一张图的两个方面，共同构成了这张图的全部信息。

这就是互补原理的精髓：同一个对象，在不同的观察方式下，会展现出不同的、互相排斥的面貌。但这些面貌必须被同时用来描述这个对象，才能得到完整的认识。

6.1.5 玻尔的伟大洞见

1927年9月，在意大利科莫湖畔，玻尔在一个纪念伏打逝世一百周年的会议上，首次公开阐述了他的互补原理。科莫是一个美丽的小城，北临风景胜地科莫湖，与米兰相去不远。这里曾走出过许多伟大的建筑师，还有那位发明了电池的伏打。1927年，科学巨人已离开我们整整100周年。新时代的科学大师们聚集于此，在纪念先人的同时探讨物理学的最新进展。

玻尔在大会上作了题为《量子公设和原子论的最近发展》的演讲。他第一次描述了波粒二象性，用互补原理详尽地阐明我们对待原子尺度世界的态度。他强调了观测的重要性，声称完全独立和绝对的测量是不存在的。他说，在量子世界里，主体和客体世界必须被理解成一个不可分割的整体。没有一个孤立地存在于客观世界的“事物”。事实上，一个纯粹的客观世界是没有的，任何事物都只有结合一个特定的观测手段，才谈得上具体意义。这听起来有点哲学味道，不是吗？但玻尔不是在玩文字游戏。他是基于大量实验事实，得出了这个结论。

6.1.6 为什么我们需要互补原理

你可能会问：为什么经典物理不需要互补原理？因为在经典世界里，我们可以同时测量一个物体的位置和速度。比如，你可以同时知道一辆汽车的位置和它的速度。但在量子世界里，海森堡的不确定性原理告诉我们，这是不可能的。不确定性原理说：你越精确地知道粒子的位置，就越不确定它的动量。反过来也一样。这就好比，你越是想看清一个物体的细节，就越看不清它整体的运动趋势。那么，我们该如何描述一个电子呢？如果我们只用粒子图像，就无法解释干涉现象。如果我们只用波动图像，就无法解释光电效应。所以，我们必须同时使用两种图像。虽然它们看起来互相矛盾，但只有把它们放在一起，才能完整地描述电子。这就像你看一个立方体。从正面看，它是一个正方形。从侧面看，它也是一个正方形。但如果你只看其中一个面，你永远无法理解它的三维结构。只有把两个视角结合起来，你才能看到完整的立方体。玻尔的互补原理，就是要求我们把波和粒子这两个看似矛盾的方面，作为同一个实在的两个互补的方面来看待。

6.1.7 一个惊人的结论

现在，让我们停下来，思考一下这个结论意味着什么。在经典物理学中，我们认为世界是客观存在的，独立于我们的观察。月亮即使没人看，它也挂在天上。桌子即使没人碰，它也摆在那里。但哥本哈根解释告诉我们：在量子世界里，没有观测就没有实在。电子在没有被观测的时候，它既不是粒子，也不是波。它什么都不是。它只是一个数学上的概率波，按照薛定谔方程演化。只有当我们观测它的时候，它才“坍缩”成一个确定的粒子或波。这就像什么呢？就像你走进一个房间，灯是关着的。你不知道房间里有什么。你打开灯，看到一张桌子。但你不能说，在你打开灯之前，那张桌子就已经摆在那里了。因为你没有证据。当然，在经典世界里，我们有充分的理由相信，即使不开灯，桌子也还在那里。但在量子世界里，情况完全不同。实验告诉我们，在没有观测之前，电子确实处于一种不确定的状态。这就引出了我们下一个要讨论的问题：测量问题。

6.2 测量问题：谁在测量？

6.2.1 波函数坍缩的奥秘

我们已经知道，电子在没有被观测的时候，是以波函数的形式存在的。这个波函数包含了电子所有可能的状态。它像一团概率云，弥漫在空间中。但当我们一观测，奇迹发生了：波函数瞬间“坍缩”了。那团概率云凝聚成一个确定的点，电子变成了一个实实在在的粒子，出现在某个具体的位置上。这个过程，就是所谓的波函数坍缩。你闭上眼睛，电子又化为概率波，向四周扩散。再睁开眼睛，它又变回粒子出现在某个地方。你测量一次，它的波函数就坍缩一次，随机地决定一个新的位置。这个听起来是不是很神奇？更神奇的是，这种坍缩是瞬间完成的，不需要时间。而且，它似乎不受任何物理定律的约束——它完全是随机的。

6.2.2 测量的悖论

好了，现在问题来了：什么是“测量”？这听起来是个简单的问题，但实际上，它可能是量子力学中最深奥、最令人困惑的问题之一。在经典物理学中，测量很简单。你用尺子量长度，用钟表量时间，用温度计量温度。测量者（你）和被测物（桌子、时钟、温度计）是分开的。测量的结果，反映的是被测物的客观属性。但在量子力学中，情况完全不同。因为测量本身会干扰被测物。你无法“温柔地”测量一个电子——任何测量都会改变它的状态。更糟糕的是，测量似乎需要某种“意识”的参与。你测量一个电子，它的波函数坍缩了。但如果是一个自动探测器测量它，波函数也会坍缩吗？如果是一只猫看到它，波函数会坍缩吗？如果是一个摄像头拍到它，波函数会坍缩吗？你到底需要多“智能”的观测者，才能让波函数坍缩？这个问题，让物理学家们头疼了将近一个世纪。

6.2.3 薛定谔的猫

说到这个问题，就不得不提史上最著名的思想实验——薛定谔的猫。1935年，奥地利物理学家薛定谔（就是那个写出薛定谔方程的人）提出了一个恶毒的思维实验，目的是揭露哥本哈根解释的荒谬之处。他设想这样一个装置：把一只猫关在一个密闭的箱子里。箱子里有一个放射性原子，一个盖革计数器，还有一瓶毒药。如果放射性原子衰变，盖革计数器就会探测到，然后触发一个机关，打碎毒药瓶，猫就会被毒死。如果原子没有衰变，猫就活着。根据量子力学，放射性原子的衰变是一个量子过程。在没有被观测之前，原子处于“衰变”和“未衰变”的叠加态。那么，相应地，猫也应该处于“死”和“活”的叠加态。这就意味着，在打开箱子之前，那只猫既是死的，又是活的！薛定谔用这个实验来嘲笑哥本哈根解释。他说，你们看，这多么荒谬！一只猫怎么能同时是死和活的呢？但哥本哈根派的回答是：是的，在没有打开箱子之前，猫确实处于死和活的叠加态。只有当你打开箱子观察时，猫的波函数才坍缩成一种确定的状态——要么死，要么活。这个回答让很多人抓狂。薛定谔本人在论文里把它描述成一个“恶魔般的装置”。霍金后来也说：“当我听说薛定谔的猫的时候，我就跑去拿枪。”

6.2.4 猫的困惑

现在，让我们仔细想想这个问题。猫处于死/活的叠加态？人们无法接受这一点，最关键的地方就在于：经验告诉我们，这种奇异的二重状态似乎不太可能被一个宏观的生物（比如猫或者我们自己）所感受到。还是那句话：如果猫能说话，它会描述这种二象性的感觉吗？如果它侥幸幸存，它会不会说：“是的，我当时变成了一缕概率波，我感到自己弥漫在空间里，一半已经死去了，而另一半还活着。这真是令人飘飘然的感觉，你也来试试看？”这恐怕没人相信。

好，我们退一步。猫不会说话，那么我们把一个会说话的人放入箱子里面去。当然，这听起来有点残忍，不过我们只是在想象中进行而已。这个人如果能生还，他会那样说吗？显然不会，他肯定无比坚定地宣称，自己从头到尾都活得好好的，根本没有什么半生半死的状态出现。可是，这次不同了。因为他自己已经是一个观察者了啊！他在箱子里不断观察自己的状态，从而不停地触动自己的波函数坍缩。我们把一个观测者放进了箱子里！

6.2.5 观测者的定义

这下问题更复杂了。如果一个人可以当观测者，那么猫可以吗？猫有没有意识？如果有，那猫也应该能让自己的波函数坍缩。那么，猫就不会处于死/活的叠加态了。如果猫不行，那么什么级别的生物才行？狗？猴子？章鱼？细菌？还是只有人类才行？你可能会说：这太荒谬了。难道整个量子力学都要依赖于人类意识的存在吗？

事实上，有些物理学家确实这样认为。其中最著名的是约翰·冯·诺依曼，20世纪最伟大的数学家之一。他在1932年的一本书中提出，波函数坍缩是由“意识”引起的。冯·诺依曼说，测量仪器本身也是由原子组成的，所以它也应该遵守量子力学。但为什么我们测量时，波函数会坍缩呢？原因就在于，测量仪器后面还有一个“观测者”——有意识的人。只有人的意识，才能最终导致波函数坍缩。这个观点后来被另一位物理学家尤金·维格纳进一步发展。维格纳说，意识是量子力学中不可或缺的一部分。他甚至提出，如果没有意识，宇宙中的波函数就永远不会坍缩，整个宇宙就会一直处于不确定的叠加状态。这听起来是不是很疯狂？但维格纳是认真的。他认为，意识是独立于物理世界的东西，它可以影响物理世界。

6.2.6 月亮不存在吗？

沿着这个思路走下去，我们会得出更惊人的结论。既然万物都是由原子组成的，那么万物都应该遵守量子力学。这意味着，当我们不去观察的时候，万物都应该处于不确定的叠加状态。这包括什么呢？包括你的茶杯，你的书桌，你的房子，甚至……月亮。

量子派后来有一个被哄传得很广的论调说：“当我们不观察时，月亮是不存在的。”这稍稍偏离了本意。准确来说，因为月亮也是由不确定的粒子组成的，所以如果我们转过头不去看月亮，那一大堆粒子就开始按照波函数弥散开去。于是乎，月亮的边缘开始显得模糊而不确定，它逐渐“融化”，变成概率波扩散到周围的空间里去。当然，这么大一个月亮完全融化成空间中的概率是需要很长时间的。不过问题的实质是：要是不观察月亮，它就从确定的状态变成无数不确定的叠加。不观察它时，一个确定的、客观的月亮是不存在的。但只要一回头，一轮明月便又高悬空中，似乎什么事也没发生过一样。

这听起来是不是很像贝克莱主教的那句名言：“存在就是被感知”？贝克莱说，事物之所以存在，是因为被感知。如果没有被感知，它们就不存在。当然，贝克莱认为上帝总是在感知一切，所以世界不会消失。量子论呢？它不需要上帝这个假设。它直接说：不被观测，就不存在。这和中国古代哲学家王阳明的思想也有异曲同工之妙。王阳明在《传习录》中说：“你未看此花时，此花与汝同归于寂；你来看此花时，则此花颜色一时明白起来……”如果用量子语言翻译一下，就是：“你未观测此花时，此花并未实在地存在，按波函数而归于寂；你来观测此花时，则此花波函数发生坍缩，它的颜色一时变成明白的实在……”

6.2.7 退相干理论：一个现代视角

不过，请等一下。我们需要澄清一个重要的误解。说“月亮不存在”是一种过于简化的表述，很容易引起误解。实际上，现代物理学中的退相干理论为我们提供了一个更精确的视角。

退相干理论是20世纪70年代由德国物理学家迪特尔·泽赫和波兰物理学家沃伊切赫·祖雷克等人发展起来的。它告诉我们，量子叠加态是非常脆弱的。当一个量子系统（比如一个电子）与周围环境发生相互作用时，它的量子相干性会迅速丧失。这个过程叫做“退相干”。退相干的速度快到令人难以置信。对于一个宏观物体（比如月亮），退相干发生的时间尺度大约是10的负几十次方秒——比任何测量手段都快得多。这意味着，宏观物体几乎不可能处于量子叠加态。它们在与环境的相互作用中，瞬间就“选择”了一个确定的状态。

所以，当我们说“不观察月亮时，月亮不存在”，这只是一个比喻。更准确的说法是：月亮作为一个宏观物体，由于与环境的强烈相互作用，它几乎总是处于一个确定的状态。退相干效应确保了经典世界的确定性。你不需要担心你转过头去，月亮就会消失。因为月亮与太阳光、宇宙射线、地球引力场等环境因素无时无刻不在相互作用，这些相互作用迅速“冻结”了它的量子不确定性，使它表现出经典物体的行为。

那么，退相干理论是否解决了测量问题呢？并没有。退相干理论告诉我们，为什么宏观物体看起来是确定的。但它没有告诉我们，为什么当我们测量一个微观粒子时，波函数会坍缩成一个特定的结果。退相干只能解释“为什么我们看不到叠加态”，但不能解释“为什么我们只看到一个特定的结果”。这仍然是量子力学中最深奥的谜题之一。

6.2.8 奥卡姆剃刀

现在，你可能已经感到头大了。这个哥本哈根解释，怎么越听越像唯心主义哲学？别急，让我们用奥卡姆剃刀来理一理思路。奥卡姆剃刀原理是14世纪的一个修道士威廉所创立的。他说，当两种说法都能解释相同的事实时，应该相信假设少的那个。比如，地球“本来”是方的，但“观测时显现出圆形”，这和地球“本来就是圆的”说明的是同一件事。但前者引入了一个莫名其妙的不必要的假设，所以前者是胡说。

再举个例子：“上帝存在”，但“上帝绝对无法被世人看见”，这是两个假设。而“上帝其实不存在，所以自然看不见”，只用到了一个假设（“看不见”是“不存在”的自然推论）。这两者说明的是同样的现象（没人在现实中看见过上帝），所以在没有更多证据的情况下，我们最好还是倾向于后者。

回到量子世界中：有人说，“电子本来有准确的位置和动量，但是观测时只能显示一个”。这和“只存在具有位置或者具有动量的电子”说明的是同一回事。但前者多了一个假设。根据奥卡姆剃刀，我们应当相信后者。实际上，“存在，但绝对观测不到”之类的论断都是毫无意义的。因为这和“不存在”根本就是一码事，无法区分开来。同样道理，没有粒子-波混合的电子，没有看不见的喷火的龙，没有“绝对颜色”的马，没有150亿光年外的宇宙，没有隔着1厘米四维尺度观察我们的四维人，没有绝对的外部世界。

史蒂芬·霍金在《时间简史》中说：“我们仍然可以想象，对于一些超自然的生物，存在一组完全地决定事件的定律，它们能够观测宇宙现在的状态而不必干扰它。然而，我们人类对于这样的宇宙模型并没有太大的兴趣。看来，最好是采用奥卡姆剃刀原理，将理论中不能被观测到的所有特征都割除掉。”

6.2.9 哥本哈根解释的核心

现在，让我们总结一下哥本哈根解释的核心内容。哥本哈根解释的基本内容，全都围绕着三大核心原理而展开：

1. 概率解释：波恩提出，波函数的平方代表粒子在某处出现的概率。量子力学只能给出概率，不能给出确定的结果。
2. 不确定性原理：海森堡发现，我们无法同时精确知道粒子的位置和动量。这个极限是物理世界的根本性质，不是因为我们测量技术不够好。
3. 互补原理：玻尔提出，波和粒子是同一个实在的两个互补的方面。它们在同一时刻是互斥的，但必须被同时用于描述对象。

这三者共同构成了量子论“哥本哈根解释”的核心。哥本哈根解释的基本观点是：

• 量子力学只能给出概率性的预言，不能给出确定的结果。
• 观测者对于被观测物有不可避免的扰动，主体和客体世界必须被理解成一个不可分割的整体。
• 没有一个孤立地存在于客观世界的“事物”。任何事物都只有结合一个特定的观测手段，才谈得上具体意义。
• 对象所表现出的形态，很大程度上取决于我们的观察方法。对同一个对象来说，这些表现形态可能是互相排斥的，但必须被同时用于这个对象的描述中。

6.2.10 谁是哥本哈根派？

你可能会问：这个“哥本哈根派”到底有哪些人？哥本哈根派是以玻尔为首的一帮科学家，他们大多数曾在哥本哈根工作过，许多是量子论本身的创立者。主要包括：

• 尼尔斯·玻尔：丹麦物理学家，哥本哈根学派的领袖。他提出了互补原理，是哥本哈根解释的灵魂人物。
• 维尔纳·海森堡：德国物理学家，提出了不确定性原理。他是玻尔最得意的弟子之一。
• 马克斯·波恩：德国物理学家，提出了波函数的概率解释。
• 沃尔夫冈·泡利：奥地利物理学家，以泡利不相容原理闻名。他是量子力学的重要奠基人。
• 帕斯库尔·约尔当：德国物理学家，与海森堡和波恩共同创立了矩阵力学。
• 汉斯·克喇默斯：荷兰物理学家，对量子力学有重要贡献。

当然，实际上在现实中并没有一个正式的党派叫做“哥本哈根派”。粗略地说，任何人只要赞同玻尔的“哥本哈根解释”，就可以归为哥本哈根派的成员。

6.3 对哥本哈根解释的批评与替代解释

6.3.1 哥本哈根解释的困境

尽管哥本哈根解释取得了巨大的成功，但它从来不是没有争议的。事实上，自从它诞生之日起，批评和质疑就从未停止过。让我们来看看主要的批评意见：

1. 测量问题：这是最根本的批评。哥本哈根解释没有给出“测量”的明确定义。什么是测量？什么时候波函数坍缩？为什么测量会导致坍缩？这些问题都没有得到令人满意的回答。

2. 主观性：哥本哈根解释似乎把意识引入了物理学。如果波函数坍缩需要观测者，那么没有观测者的宇宙（比如早期宇宙）是如何演化的？这显然是一个悖论。

3. 非决定论：爱因斯坦无法接受“上帝掷骰子”的观念。他认为，一个完备的物理理论应该是决定性的，能够精确预测未来的状态。

4. 非实在论：哥本哈根解释否认了客观实在的存在。它说，在没有观测之前，没有“真实”的东西。这与我们日常的经验和直觉严重冲突。

这些批评促使物理学家们提出了一系列替代解释。下面我们介绍其中最著名的几种。

6.3.2 多世界解释

1957年，年轻的美国物理学家休·埃弗雷特提出了一个大胆的想法：多世界解释（Many-Worlds Interpretation，简称MWI）。这个解释的核心理念是：波函数从不坍缩。

埃弗雷特说，每当一个量子事件发生时，宇宙就会分裂成多个分支。在每个分支中，事件的结果不同。所有这些分支都是同样真实的，它们同时存在，只是彼此之间无法相互感知。让我们用薛定谔的猫来理解。根据多世界解释，当箱子被打开时，宇宙分裂成两个分支。在一个分支中，猫是活的；在另一个分支中，猫是死的。这两个分支同样真实。观测者（你）也分裂成两个版本，每个版本看到一种结果。所以，没有波函数坍缩，没有概率，没有不确定性。一切都按照薛定谔方程确定性地演化。只是我们作为观测者，只能体验到其中一个分支。

多世界解释的优点在于：

• 它消除了测量问题。波函数从不坍缩，所以不需要解释坍缩。
• 它是确定性的。宇宙的演化完全由薛定谔方程决定。
• 它不需要意识参与。波函数的演化是客观的、物理的。

但多世界解释也有严重的缺点：

• 它引入了无数个平行宇宙，这违反了奥卡姆剃刀原则。
• 它无法解释概率。如果所有可能的结果都发生了，那么“概率”是什么意思？
• 它无法被实验验证。我们无法与其他分支的宇宙进行通信。

尽管有这些缺点，多世界解释在当代物理学中仍然拥有不少支持者。一些著名的物理学家，如大卫·多伊奇和马克斯·特格马克，都是多世界解释的坚定拥护者。

6.3.3 隐变量理论

另一种著名的替代解释是隐变量理论（Hidden Variable Theory）。这个理论试图恢复经典物理学的决定论和实在论。它的核心理念是：量子力学是不完备的。粒子实际上有确定的位置和动量，只是我们不知道而已。这些“隐藏”的变量决定了粒子的行为。如果我们知道了这些隐变量，就可以精确预测粒子的行为。

最著名的隐变量理论是德布罗意-玻姆理论，也称为导波理论。它由路易·德布罗意在1927年提出，后来由大卫·玻姆在1952年完善。在这个理论中，粒子总是有确定的位置。但有一个“导波”（pilot wave）引导着粒子的运动。这个导波本身是量子场，它通过双缝、绕过障碍物，从而产生干涉图案。粒子的运动完全由导波决定，所以这个理论是决定性的。

导波理论的优点在于：

• 它恢复了决定论和实在论。粒子有确定的位置，运动由导波决定。
• 它不需要测量问题。波函数不坍缩，只是导波引导粒子运动。
• 它给出了与哥本哈根解释相同的实验预测。

但导波理论也有严重的缺点：

• 它引入了非局域性。导波可以瞬间影响远处的粒子，这与相对论矛盾。
• 它无法被实验验证。隐变量无法被直接测量。
• 它数学上很复杂，不如哥本哈根解释简洁。

尽管有这些缺点，导波理论仍然是一个活跃的研究领域。一些物理学家认为，它可能为量子力学提供更坚实的哲学基础。

6.3.4 QBism：一种激进的视角

21世纪初，一种更加激进的解释出现了——QBism（Quantum Bayesianism）。QBism是“量子贝叶斯主义”的缩写，由卡尔顿·凯夫斯、克里斯托弗·富克斯和吕迪格·沙克等人发展起来。QBism的核心理念是：量子概率是观测者的主观信念。

根据QBism，波函数不是描述客观世界的，而是描述观测者对系统的知识或信念。当你测量一个量子系统时，你是在更新你的信念。波函数坍缩不是物理过程，而是你知识的更新。就像在贝叶斯统计中，你根据新的证据更新你的先验概率一样。QBism的激进之处在于，它完全放弃了客观实在的概念。它说，物理学不是关于“世界是什么”，而是关于“观测者如何与世界互动”。

QBism的优点在于：

• 它消除了测量问题。波函数坍缩只是知识的更新，不是物理过程。
• 它承认了观测者的主观性。每个观测者都有自己的波函数。
• 它兼容于相对论和量子场论。

但QBism也有严重的缺点：

• 它过于主观，似乎把物理学变成了心理学。
• 它无法解释为什么不同观测者的预测会一致（除非他们共享信息）。
• 它无法解释量子纠缠等非局域现象。

QBism目前还处于发展阶段，它在哲学家中比在物理学家中更受欢迎。但它确实提供了一个有趣的视角，帮助我们思考量子力学的基本问题。

6.3.5 退相干历史解释

最后，让我们介绍一种更加“保守”的替代解释——退相干历史解释（Decoherent Histories Interpretation），也称为一致历史解释（Consistent Histories）。这个解释由罗伯特·格里菲斯、罗兰·奥姆内斯和默里·盖尔曼等人发展起来。它的核心理念是：退相干本身就可以解释经典世界的出现，不需要波函数坍缩。

根据这个解释，量子系统与环境的相互作用会导致退相干，从而破坏量子叠加态。退相干的结果是，系统“选择”了一组“一致的历史”——即一组相互兼容的、经典的事件序列。这些历史是客观的，不依赖于观测者。它们只是“存在”在那里，就像多世界中的分支一样。但退相干历史解释与多世界解释不同：它不认为所有历史都是同样真实的。只有那些与退相干兼容的历史才是“真实”的。其他历史则被“抑制”了。

退相干历史解释的优点在于：

• 它不需要波函数坍缩，也不需要意识参与。
• 它解释了为什么经典世界看起来是确定的。
• 它给出了一个客观的、不依赖于观测者的描述。

但退相干历史解释也有缺点：

• 它没有完全解决测量问题。它只是把问题转移到了“一致历史”的选择上。
• 它无法解释为什么我们只体验到一种历史。为什么我们不是同时体验到所有一致的历史？
• 它数学上很复杂，不如哥本哈根解释简洁。

退相干历史解释目前是量子力学基础研究中的一个活跃领域。它被认为是哥本哈根解释的一种“现代版本”，因为它保留了哥本哈根解释的核心思想，但用退相干理论提供了更坚实的物理基础。

6.3.6 替代解释的对比

现在，让我们用一张表格来对比这些替代解释的主要特点：

请注意，这些解释目前都无法被实验验证。它们都是对同一套数学公式的不同哲学解释。所以，选择哪一种解释，很大程度上取决于你的哲学偏好。你更喜欢决定论还是非决定论？你相信客观实在吗？你认为意识在物理学中扮演什么角色？这些问题没有标准答案。它们属于物理学、哲学和形而上学的交叉领域。

6.3.7 玻尔-爱因斯坦论战

说到哥本哈根解释，就不能不提那场物理学史上最著名的论战——玻尔-爱因斯坦论战。爱因斯坦是量子力学的奠基人之一，但他始终无法接受哥本哈根解释。他认为，上帝不掷骰子。世界应该是确定性的、客观的、实在的。

1927年，在布鲁塞尔举行的第五届索尔维会议上，爱因斯坦和玻尔展开了第一次正面交锋。这是一场堪称世纪之战的辩论。爱因斯坦每天早上都会带着一个新的思维实验来到会场，试图证明哥本哈根解释是矛盾的。玻尔则会在一天之内想出其破解之法，然后在晚餐时向爱因斯坦展示。

海森堡后来回忆说：“讨论很快就变成了一场爱因斯坦和玻尔之间的决斗……我们一般在旅馆用早餐时就见面了，于是爱因斯坦就描绘一个思维实验，他认为从中可以清楚地看出哥本哈根解释的内部矛盾。然后爱因斯坦、玻尔和我便一起走去会场，我就可以现场聆听这两个哲学态度迥异的人的讨论……在会议中间，尤其是会间休息的时候，我们这些年轻人——大多数是我和泡利——就试着分析爱因斯坦的实验，而在吃午饭的时候讨论又在玻尔和别的来自哥本哈根的人之间进行。一般来说玻尔在傍晚的时候就对这些理想实验完全心中有数了，他会在晚餐时把它们分析给爱因斯坦听。爱因斯坦对这些分析提不出反驳，但在心里他是不服气的。”

爱因斯坦当然是不服气的。他如此虔诚地信仰因果律，以致决不能相信哥本哈根那种愤世嫉俗的概率解释。玻尔后来回忆说，爱因斯坦有一次嘲弄般地问他：“难道亲爱的上帝真的掷骰子不成？”上帝不掷骰子！这已经不是爱因斯坦第一次说这话了。早在1926年写给波恩的信里，他就说：“量子力学令人印象深刻，但是一种内在的声音告诉我它并不是真实的。这个理论产生了许多好的结果，可它并没有使我们更接近‘老头子’的奥秘。我毫无保留地相信，‘老头子’是不掷骰子的。”“老头子”是爱因斯坦对上帝的昵称。

6.3.8 光箱实验

1927年的论战，爱因斯坦终究输了一招。但他没有放弃。三年后，1930年，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。爱因斯坦带着一个更精妙的思维实验来了——这就是著名的光箱实验。

爱因斯坦设想：有一个箱子，上面有一个小孔，并有一道可以控制其开闭的快门。箱子里面有若干个光子。好，假设快门可以控制得足够好，它每次打开的时间是如此之短，以至于每次只允许一个光子从箱子里飞到外面。因为时间极短，△t是足够小的。那么现在箱子里少了一个光子，它轻了那么一点点，这可以用一个理想的弹簧秤测量出来。假如轻了△m吧，那么就是说飞出去的光子重m，根据相对论的质能方程E=mc²，可以精确地算出箱子内部减少的能量△E。那么，△E和△t都很确定，海森堡的公式△E×△t＞h也就不成立。所以整个量子论是错误的！

这可以说是爱因斯坦凝聚了毕生功夫的一击，其中还包含了他的成名绝技相对论。这一招如白虹贯日，直中要害，沉稳老辣，干净漂亮。玻尔对此毫无思想准备，他大吃一惊，一时想不出任何反击的办法。据目击者说，他变得脸如死灰，呆若木鸡，张口结舌地说不出话来。一整个晚上他都闷闷不乐，搜肠刮肚，苦思冥想。

罗森菲尔德后来描述说：“（玻尔）极力游说每一个人，试图使他们相信爱因斯坦说的不可能是真的，不然那就是物理学的末日了，但是他想不出任何反驳来。我永远不会忘记两个对手离开会场时的情景：爱因斯坦的身影高大庄严，带着一丝嘲讽的笑容，静悄悄地走了出去。玻尔跟在后面一路小跑，他激动不已，词不达意地辩解说要是爱因斯坦的装置真的管用，物理学就完蛋了。”

6.3.9 玻尔的反击

这一招当真如此完美无缺？玻尔在这关键时刻力挽狂澜，方显英雄本色。他经过一夜苦思，终于想出了破解此招的方法，一个更加妙到毫巅的巧招。罗森菲尔德接着说：“第二天早上，玻尔的胜利便到来了。物理学也得救了。”

玻尔指出：好，一个光子跑了，箱子轻了△m。我们怎么测量这个△m呢？用一个弹簧秤，设置一个零点，然后看箱子位移了多少。假设位移为△q吧，这样箱子就在引力场中移动了△q的距离。但根据广义相对论的红移效应，时间的快慢也要随之改变相应的△T。可以根据公式计算出：△T＞h/△mc²。再代以质能公式△E=△mc²，则得到最终的结果，这结果是如此眼熟：△T△E＞h，正是海森堡测不准关系！

我们可以不理会数学推导。关键是爱因斯坦忽略了广义相对论的红移效应！引力场可以使原子频率变低，也就是红移，等效于时间变慢。当我们测量一个很准确的△m时，我们在很大程度上改变了箱子里的时钟，造成了一个很大的不确定的△T。也就是说，在爱因斯坦的装置里，假如我们准确地测量△m，或者△E时，我们就根本没法控制光子逃出的时间T！广义相对论本是爱因斯坦的独门绝技。玻尔这一招“以彼之道，还施彼身”，不但封挡住了爱因斯坦那雷霆万钧的一击，更把这诸般招数都回加到了他自己身上。现在轮到爱因斯坦自己说不出话来了。难道量子论当真天命所归？严格的因果性当真已经迟暮老去，不再属于这个叛逆的新时代？

6.3.10 论战的结局

这场论战，最终以玻尔的胜利告终。爱因斯坦虽然不服气，但再也找不出哥本哈根解释的逻辑矛盾。不过，爱因斯坦并没有放弃。他转而攻击量子力学的“完备性”。他提出，量子力学虽然可能是正确的，但它不是完备的——它遗漏了一些“隐变量”，如果我们知道了这些隐变量，就可以精确地预测粒子的行为。这就引出了著名的EPR佯谬，我们将在下一章详细讨论。但无论如何，哥本哈根解释在这场论战中保住了它的正统地位。直到今天，它仍然是量子力学的主流解释。

6.3.11 哥本哈根解释的遗产

现在，让我们停下来，思考一下哥本哈根解释给我们的世界留下了什么。首先，它告诉我们：世界不是决定性的。在量子世界里，未来不是由过去唯一确定的。上帝确实掷骰子。其次，它告诉我们：世界不是客观的。观测者和被观测物是不可分割的整体。没有纯粹的客观世界。第三，它告诉我们：知识是有极限的。不确定性原理告诉我们，有些东西我们永远无法同时知道。这不是因为我们笨，而是因为世界就是这样设计的。这些结论，对于习惯了经典物理世界的人来说，简直是天方夜谭。但它们却是实验事实，是我们不得不接受的结果。正如尼尔斯·玻尔所说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”又或者，正如理查德·费曼所说：“没人能理解量子论。”

6.3.12 一个未完的故事

哥本哈根解释统治了量子世界近一个世纪，但它从来不是没有争议的。有人批评它太主观，把意识引入了物理学。有人批评它太保守，不敢接受多世界的思想。有人批评它太激进，放弃了因果性和实在性。但无论如何，哥本哈根解释是量子力学的第一个完整的解释，也是迄今为止最成功的解释。它帮助我们理解了原子、分子、固体、激光、半导体……几乎所有的现代科技都建立在它的基础之上。当然，它也有它的缺陷。最大的缺陷，就是那个“测量问题”——波函数为什么会坍缩？谁在测量？这个问题，直到今天也没有完全解决。但正是这个问题，推动着物理学家们去探索