前 言

不要害怕

不是說非得是個理論物理博士才會對量子力學談虎色變。但量子力學并不傷人。

也許看起來有點奇怪。量子力學是我們理解微觀世界的理論，描述了原子和粒子如何通過自然作用力相互作用，預測實驗結果的精確程度也讓人嘆為觀止。當然，也有人說量子力學很費解、很神秘，簡直就是魔法。但是專業(yè)的物理學家偏生就應該對這樣的理論甘之如飴。他們一直都在進行涉及量子現(xiàn)象的復雜計算，還建造了龐大無匹的機器，專門用來檢驗量子理論預測的結果。我們肯定不是想說，物理學家一直都在弄虛作假吧？

他們沒有弄虛作假，但他們也沒有對自己做到百分之百地誠實。一方面，量子力學是現(xiàn)代物理學的核心和靈魂。天體物理學家、粒子物理學家、原子物理學家、激光物理學家所有人、任何時候都在用量子力學，他們也全都很擅長量子力學。量子力學并非只是個讓人難窺堂奧的研究領域。在現(xiàn)代科技中，量子力學無處不在。半導體、晶體管、微型芯片、激光和計算機內(nèi)存全都要靠量子力學才能發(fā)揮作用。從這個角度來說，必須要有量子力學，才能讓我們周圍這個世界基本的特征變得有意義。從根本上講，所有的化學過程都需要用到量子力學。要理解太陽為何閃耀、桌子為何堅實，你都需要量子力學。

假設你閉上了眼睛。希望你看到的是一片黑暗。你可能會覺得當然會這樣，因為沒有光進入眼睛。但這個判斷并非完全正確：任何有溫度的物體都無時無刻不在發(fā)射波長比可見光略長的紅外線，這樣的物體也包括了你的身體。如果我們的眼睛對紅外線跟對可見光一樣敏感，那么就算閉上眼睛，我們也會被我們眼球本身發(fā)出的所有光線亮瞎。但我們眼睛里充當感光器的視桿細胞和視錐細胞非常聰明，只對可見光敏感，對紅外線視而不見。這些細胞是如何做到的？后的答案也要歸結到量子力學。

量子力學不是魔法，而是我們對現(xiàn)實世界深刻、全面的看法。就我們目前所知，量子力學并非只是對真實情形的模擬，量子力學本身就是真實。如果出現(xiàn)意料之外的實驗結果，這個論斷也會變，但到目前為止，我們還沒有看到任何意外情形的跡象。二十世紀初量子力學的發(fā)展涉及普朗克、愛因斯坦、玻尓、海森伯、薛定諤和狄拉克等等如雷貫耳的名字，他們在1927年留給我們的完善認識，毫無疑問是人類歷偉大的智慧結晶。我們完全有理由感到自豪。

但另一方面，理查德·費曼（Richard Feynman）也有一段讓人難忘的評價：我想我敢打包票，沒有人懂量子力學。我們用量子力學規(guī)劃新科技，預測實驗結果。但有一說一的物理學家也承認，我們并沒有真正理解量子力學。我們有一個配方，可以放心大膽地應用到某些規(guī)定情形中，結果得到了精確程度讓人嘆為觀止的預測，數(shù)據(jù)結果則已經(jīng)成功證明這些預測都正確無誤。但如果你想刨根究底，問問究竟發(fā)生了什么，我們其實也不知道。物理學家喜歡把量子力學當成是他們用來執(zhí)行特定任務的不識不知的機器人，而不是他們會以個人身份去關心的摯友。

專家中間的這種風氣也影響了更廣大的世界理解量子力學的方式。我們想做到的是呈現(xiàn)大自然的完整圖景，但是很難做到，因為物理學家對量子力學究竟在說什么仍然莫衷一是。實際上，流行的解讀往往強調(diào)說，量子力學非常神秘、讓人困惑，不可能有誰能理解。這樣的信息與科學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。涉及量子力學時，我們遇到了一些心理障礙，而要克服這個障礙，我們需要施行一點量子療法。

我們教學生學量子力學的時候，教給他們的是一系列法則。有些法則是我們很熟悉的形式：對量子系統(tǒng)有一個數(shù)學描述，外加闡述一下這些系統(tǒng)如何隨著時間演化。但是，接下來還有一堆額外的法則，其他任何物理學理論中都沒有與之類似的內(nèi)容。這些額外法則說的是，我們觀測量子系統(tǒng)時會發(fā)生什么，而且這些表現(xiàn)跟這個系統(tǒng)未被觀測時的表現(xiàn)完全不同。到底是怎么回事？

基本上有兩種說法。其一是我們一直以來講給學生聽的量子力學很不完整，而要讓量子力學有資格成為合理合法的理論，我們需要了解何謂測量或者說觀測，以及系統(tǒng)在未被觀測時為何會表現(xiàn)得截然不同。其二是量子力學劇烈突破了以前我們對物理學的一貫看法，讓我們的觀點從世界客觀存在、與我們感知世界的方式無關，轉變?yōu)橛^測行為在某種意義上是現(xiàn)實世界的根本特征。

無論是哪種情形，教科書都完全有理由花點時間探索這些說法，承認雖然量子力學已經(jīng)極為成功，我們也不能宣稱已經(jīng)大功告成，完成了探索。但教科書并沒有這么做。大多數(shù)時候教材對這些問題都略而不談，寧愿待在物理學家的舒適區(qū)，只是把方程寫出來，然后要求學生去解方程。

好叫人難堪。而且還每況愈下。

你可能會想，在這種情況下，尋求理解量子力學應該是整個物理學重要的目標。應該會有數(shù)百萬、數(shù)千萬撥款流向量子領域的研究人員，這些問題應該會吸引全世界聰明的頭腦，重大的見解應該也會得到獎勵、贏得聲望。各大學應該會爭著搶著聘用這個領域的杰出學者，拿出超級巨星的工資水平來吸引他們離開相互競爭的機構。

遺憾的是，這些都沒有發(fā)生。不只是說對量子力學的探索在現(xiàn)代物理學中沒有成為炙手可熱的領域，而且在很多地方就算沒有被刻意貶低，也沒有什么人認為值得重視。大部分學校的物理院系都沒有人研究這個領域，選擇研究這個領域的人也會遭受滿腹狐疑的目光。（近我在寫一個經(jīng)費申請的時候，還有人建議我重點描述萬有引力和宇宙學方面的工作，而提都不要提我在量子力學基礎方面的工作，因為前者看起來非常正當，而后者會讓我的申請看起來不大正經(jīng)。）過去九十年也取得了一些重要進步，但通常都是由一意孤行的個人做出的，要么就是認為這些問題確實很重要于是雖千萬人吾往矣的倔人，要么就是初出茅廬不知道研究什么好的愣頭青，但稍后也會完全離開這個領域。

有一則伊索寓言說的是，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，自己反正從來也沒有真的想吃這些葡萄。狐貍代表物理學家，而葡萄就是理解量子力學。很多研究人員已經(jīng)認定，了解大自然真正的運作機制從來都沒那么重要，重要的是做出特定預測的能力。

科學家受到的訓練是，將清晰可見的結果，無論是讓人激動萬分的實驗發(fā)現(xiàn)還是定量的理論模型，都視若珍寶。費盡心思去理解一種現(xiàn)有理論（而這樣的努力可能并不會帶來任何新的科技進步或是新的預測），這種思路恐怕很難賣個好價錢。美劇《火線》就體現(xiàn)了這種潛在的緊張關系，劇中一組探員殫精竭慮好幾個月，悉心搜集證據(jù)，想把一個強大的販毒團伙繩之以法。然而他們的老板對這種穩(wěn)扎穩(wěn)打的無聊過程沒有耐心，他們只想下次開新聞發(fā)布會的時候桌上擺滿毒品，催著警察們一擊爆頭，興師動眾地大行搜捕。資金管理機構和招聘委員會就像這些老板。在這個所有舉措都在激勵我們得出具體、量化結果的世界里，在我們向下一個迫在眉睫的目標一路狂奔的路上，沒那么緊迫的大局觀問題完全可以棄置道旁。

本書有三條主要信息。條是，量子力學理應可以理解雖說我們現(xiàn)在還沒能理解而得到這樣的理解應該是現(xiàn)代科學的首要目標。量子力學在我們親眼所見和真實情形之間劃出了清晰的界限，在物理學理論中可以說是獨一份。科學家（以及所有人）都習慣了認為我們親眼所見毫無疑問就是真實情形，并致力于做出相應解釋，而量子力學對這些人的思想提出了非比尋常的挑戰(zhàn)。但我們并非無法應戰(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，就會發(fā)現(xiàn)量子力學也并沒有神秘到讓人絕望或是無法解釋。只不過是物理學而已。

第二條信息是，在對量子力學的理解中我們已經(jīng)取得了真正的進展。我會重點介紹我認為明顯有前景的理解方式，即量子力學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家的熱烈擁護，但也有很多人認為這種詮釋方式粗枝大葉，對于其他現(xiàn)實世界中還有千千萬萬個自己極為反感。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的純粹的方式如果在認真對待量子現(xiàn)象時沿著阻力小的路徑前行，后一定會歸結到多世界詮釋。尤其是，多重世界是已經(jīng)存在的體系作出的預測，而不是手動生加進去的內(nèi)容。但是，多世界詮釋并不是值得重視的方法，我們也會介紹一些主要的相互競爭的思想。（我也許未必能一碗水端平，但會盡力做到公平。）重要的是，各種各樣的詮釋方式全都是精心構建的科學理論，可能會帶來各不相同的實驗結果，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行的讓人如墜霧里的詮釋論爭。

第三條信息是所有這些都很重要，而且不只是對科學的完善來說有重要意義。我們不能因為目前現(xiàn)有的夠用但條理還不夠清楚的量子力學框架取得的成功，就對這個事實視而不見：某些情況下這個方法根本不能勝任愉快。特別是我們想要理解時空本身的性質(zhì)，以及整個宇宙的起源和終命運時，量子力學的基礎至關重要。我會介紹一些全新的、讓人血脈僨張但當然也只是試探性的假說，在量子糾纏和時空卷折彎曲的方式（你我都知道這種現(xiàn)象叫做萬有引力）之間建立起頗具爭議的關聯(lián)。很多年以來，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目標（聲望、獎項、大學之間互挖墻腳等等各種勾當都因此而起）。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本身，后發(fā)現(xiàn)引力一直潛藏其中。

我們無法確知。前沿研究就是會這樣讓人興奮莫名又焦慮萬分。但是，現(xiàn)在是時候認真對待現(xiàn)實世界的本質(zhì)特征了，也就是說，要跟量子力學正面硬剛。