量子世界如何跨越？

M西蒙·格罗布拉赫的许多手工制品肉眼都无法看见。他在荷兰代尔夫特理工大学实验室制造的机械装置之一只有几百万分之一米长——比细菌大不了多少——厚度为250纳米，大约是一张纸厚度的千分之一。格罗布拉赫无疑可以继续缩小他的设计，但他有不同的目标：他想将事物放大，而不是缩小。“我们正在努力制造真正非常大的东西，” 他一边说，一边在他的电脑上调出硬件图像。请记住，对于实验物理学家格罗布拉赫来说，“真正非常大”意味着几乎不用显微镜就能看到的东西，“尺寸为一毫米乘一毫米。”

通过在远小于庞大宏伟的尺度上工作，格罗布拉赫希望解决一个非同寻常的问题：单个宏观物体能否同时存在于两个地方？比如，一个针头大小的东西能否同时存在于此地和彼地？这种看似不可能的条件实际上是原子、光子和所有其他粒子的常态。根据量子理论的超现实定律，最基本层面的现实违背了我们的常识假设：粒子没有固定的位置、能量或任何其他确定的属性——至少在无人观察时是这样。它们同时存在于多种状态。

但是，由于物理学家不理解的原因，我们看到的现实是不同的。我们的世界——即使是我们无法直接观察到的部分——也显然是非量子的。真正大的东西——意味着从病毒到更大的任何东西——总是只在一个地方显现；只有一个格罗布拉赫在他的代尔夫特实验室里和一个时差反应严重的、奋笔疾书的记者交谈。问题在于：如果一切都建立在物质和能量的量子模糊之上，为什么我们自己没有体验到量子怪异性？量子世界在哪里结束，所谓的牛顿物理学的经典世界又在哪里开始？现实中是否存在裂痕，是否存在量子效应完全停止的尺度？还是量子力学在任何地方都起作用，而我们却在某种程度上对此视而不见？

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“我们知道微观世界是量子的，并且我们以某种方式是经典的——无论这意味着什么，” 意大利的里雅斯特大学的理论物理学家安杰洛·巴斯说。“我们对微观和宏观之间物质的真实性质一无所知。” 自一个世纪前量子理论诞生以来，这片无人区一直困扰着物理学家。但近年来，格罗布拉赫和其他物理学家已经开始进行极其灵敏的桌面实验，这些实验有一天可能会揭示物体如何从量子态惊人地过渡到日常状态。这些努力是会解决量子理论的奥秘还是会加深它们，目前尚无人能说。但是，在探索狂野而模糊的量子边界地带时，研究人员有机会发现一个全新的物理学领域。

测量问题

尽管存在各种悖论，量子力学仍然是有史以来最强大、最严谨的科学理论。该理论的预测与实验结果惊人地吻合——在某些情况下，精度甚至优于万亿分之一。通过彻底改变我们对原子结构的理解，它改变了科学的方方面面，从生物学到天体物理学。没有量子理论，就不会有电子产业，没有手机，没有谷歌。然而，普林斯顿高等研究院的理论物理学家斯蒂芬·L·阿德勒说，该理论有一个明显的缺点：“在量子力学中，事情不会发生。”

阿德勒隐晦的评论指的是量子理论的基本方程对现实本质的说明——或未说明之处。这些方程被称为波函数，它们为物体在各种状态下被发现的可能性分配了概率。与牛顿物理学不同，在牛顿物理学中，苹果、行星和所有其他事物始终具有明确定义的属性，而量子物理学本质上是概率性的。从某种意义上说，用波函数描述的粒子甚至不能说是完全存在的；它们没有固定的位置、速度或能量——它们只有概率。

但是，当科学家进行测量时，一切都会改变。然后，真实、有形的属性就会出现，仿佛是被仅仅观察它们的尝试所召唤出来的一样。该理论不仅没有说明为什么测量会带来这种转变，也没有告诉我们为什么众多可能性中的一种会显现出来而不是其他可能性。量子力学描述了测量结果可能发生什么，但没有描述将会发生什么。换句话说，该理论没有提供从概率到实际转变的机制。

为了在量子力学中“使事情发生”，该理论的一位传奇创始人提出了一种近乎形而上学的技巧。在 20 世纪 20 年代后期，维尔纳·海森堡提出并传播了一种观点，即测量的行为本身会使粒子的波函数“坍缩”——许多潜在的结果瞬间减少为一个观察到的结果。这个想法的唯一缺陷是，量子理论的方程中没有任何内容表明会发生坍缩，也没有提供解释它的物理过程。海森堡的“解决方案”实际上在物理学中引入了一个新的谜团：当波函数坍缩时，到底发生了什么？这个量子难题现在被称为测量问题。

在过去的 90 年里，物理学家可能已经习惯了坍缩的想法，但他们从未真正喜欢过它。人类行为——测量——在我们关于宇宙如何运作的最基本理论中起着核心作用，这种观念让任何倾向于客观现实概念的人都感到不舒服。

“从根本上讲，我对物理理论应该是什么样子有一个理想，” 2021 年 7 月去世的诺贝尔奖得主物理学家史蒂文·温伯格说。“它应该是不以任何具体方式提及人类的东西。它应该是可以从中推导出一切其他事物的理论——包括您可以系统地说出的关于化学、生物学或人类事务的任何内容。它不应该在自然规律的开端就有人类。然而，我看不出在不使用解释性假设的情况下构建量子力学的方法，而这个假设指的是当人们选择测量一件事或另一件事时会发生什么。”

选择你的解释

解决测量问题的一种巧妙方法是假设坍缩根本不会发生。在 20 世纪 70 年代初期，当时在德国海德堡大学的已故 H. 迪特尔·泽提出了一种过程，该过程在保留波函数的完整量子多样性的同时，产生了坍缩的表象。泽认为，在现实世界中，任何特定物体的波函数都与环境中其他所有事物的波函数不可救药地纠缠在一起，以至于无法跟踪我们周围发生的所有无数的量子相互作用。用量子术语来说，波函数变得“纠缠”——一种特殊的关联，即使在巨大的距离上也能保持连接。观察者只能期望看到这个巨大的纠缠系统的一小部分，因此任何特定的测量都只捕获了量子世界的一小部分。

泽将这个过程称为“退相干”，它已成为物理学家中普遍接受的解释，用于解释为什么我们没有在宏观层面上观察到量子现象。它描述了一个完整的波函数（包含粒子可能具有的所有可能的物理状态）如何在与周围其他量子系统的波函数混合时退相干。如果退相干模型是正确的，那么我们自己就生活在纠缠的量子网络的链条中，但只看到了其中的一部分。

并非所有物理学家都认为退相干解决了测量问题。首先，它仍然无法解释为什么我们看到量子网络的一条链条而不是其他链条。“您仍然必须援引坍缩假设，该假设采用纠缠态并表示必须选择其中一种可能的状态，这通常是通过法令完成的，” 达特茅斯学院的理论物理学家迈尔斯·P·布伦科夫说。对于布伦科夫和其他人来说，这个过程并没有捕捉到我们体验事物的方式。“我相信我们有一个正在演化的世界，” 他说。“您如何从纠缠态转变为这种对世界的感知，即始终找到通往未来的唯一路径？许多量子力学家会认为，需要发生坍缩来恢复世界演化过程中的这种统一性，而不是这种不断扩大的纠缠网络。” 阿德勒对退相干的评价更加直率：“它根本没有提供[坍缩的]机制。它根本没有解决问题。”

六十多年前，普林斯顿大学的一位博士生提出了一个更激进的坍缩问题解决方案。休·埃弗雷特在他的 1957 年博士论文中认为，波函数既不坍缩也不退相干。相反，它的所有组成部分都是物理上真实的，是宇宙无休止分支的组成部分。埃弗雷特的“多世界”解释（正如它所称的那样）在宇宙学家中很受欢迎，他们有其他理由认为我们可能居住在一个多元宇宙中。但是，没有人能够通过实验将多世界思想与标准量子理论区分开来。

对于量子力学的其他解释也是如此。法国物理学家路易·德布罗意是量子理论的创始人之一，他试图通过引入“导波”的概念来消除对坍缩的需求，导波引导电子和所有其他粒子的路径。在德布罗意的量子理论版本中，美国物理学家戴维·玻姆在 20 世纪 50 年代进一步发展了该理论，其中没有神秘的坍缩；测量只是显示了导波及其相关粒子的相互作用。但是，再次强调，没有人找到实验证据可以将德布罗意和玻姆的导波现实观与埃弗雷特的多个世界或任何其他十几个关于量子力学的不同观点区分开来。最终，量子支持者根据美学选择他们最喜欢的现实描述。“我仍然回到我们有一个正在演化的世界这一事实，” 布伦科夫说。“为此，确实需要某种坍缩，这不仅仅是实验结果的规则，而是一些实际的过程。”

测试坍缩

代尔夫特市可能符合纠缠量子系统的条件。它宁静的运河和中世纪的砖砌建筑在空间和时间上与汽车、自行车、手机商店以及在画家约翰内斯·维米尔曾经走过的狭窄街道上从通宵派对中蹒跚回家的学生重叠。格罗布拉赫的实验室位于老城中心以南约两公里处，感觉像是未来几百年后的地方。在一个温暖的春日早晨，他向一位访客展示了他和他的同事建造的“真正非常大”的东西之一：一个毫米大小的薄膜，连接到一个硅芯片上，肉眼几乎看不见。

近距离观察（或在格罗布拉赫办公室外的走廊里的海报上放大），该薄膜类似于一个微小的蹦床。它由氮化硅制成，氮化硅是一种耐用的陶瓷材料，曾用于航天飞机的发动机轴承，并在其中心装有一个高反射率的镜子。来自芯片上组件的单次冲击可以使薄膜振动数分钟。格罗布拉赫说，这种薄膜是“非常好的振荡器”。“为了说明这一点，这就像推一个人荡秋千，这个人会在一次推动下前后摆动 10 年。” 尽管薄膜尺寸很小，但它非常坚固。“我们真的在其中施加了很多应力——六千兆帕斯卡，” 格罗布拉赫的合作者之一理查德·A·诺特说。“它大约是自行车轮胎中应力的 10,000 倍，而厚度仅为 DNA 宽度的八倍左右。”

这些坚固的特性使该薄膜成为研究量子现象的理想场所——它在室温下可靠地振动而不会破裂。格罗布拉赫和诺特计划最终使用激光将薄膜推入叠加态——一种量子态，其中薄膜可以同时以两种不同的振幅振荡。原则上，薄膜持续摆动数分钟的能力应该允许这种量子态持续足够长的时间，以观察当薄膜坍缩为单个经典态时（或是否坍缩）会发生什么。

“这正是您创建某种量子性所需要的，” 格罗布拉赫说。“您不希望它与环境互动，因为这会引起退相干——据推测是这样。因此，您需要一个真正隔离良好的系统，使其处于量子态，然后打开您自己的退相干，这是您可以控制的东西——激光。我们仍然没有达到可以实际创建系统振荡叠加的程度。但这就是我们在几年内的目标。”

格罗布拉赫和他的同事们并不打算止步于此。研究人员希望最终将一个生物放置在薄膜上，然后将薄膜以及其上的任何乘客置于量子叠加态。进入量子空间的这项任务的主要候选者是被称为缓步动物的八足微生物，也称为水熊。“它们是神奇的生物，” 格罗布拉赫说。“您可以将它们冷却——它们仍然活着；您可以加热它们——它们仍然活着；将它们放入真空中——它们仍然活着。” 他承认这一步还有一段路要走。“这并非疯狂。作为一个长期目标很好，但首先我们必须让我们的设备进入叠加态；然后我们可以考虑放入生物体。”

连续自发定域

无论有没有缓步动物，这样的实验都将使物理学家能够测试自然是否以某种方式审查超过一定尺寸范围的量子效应。一些物理学家提出，坍缩可能是一种实际的物理现象，具有可测量的影响。一种想法（称为连续自发定域，或 CSL）是，波函数坍缩只是微观世界中不断发生的随机事件。根据 CSL，任何一个粒子发生坍缩的可能性都极低——可能每数亿年发生一次——但对于大量的粒子聚集体，坍缩成为必然。

“单个质子必须等待大约 10¹⁶ 秒才能看到坍缩，因此在宇宙的整个生命周期中只发生几次，” 巴斯说。但是，任何宏观物体中大量的粒子都使得坍缩不可避免。“如果您拿一张桌子，其中包含大约阿伏伽德罗数的粒子——10²⁴——坍缩几乎立即发生。” 如果 CSL 是真实的，那么测量和观察在坍缩中没有任何作用。在任何测量中，给定的粒子和记录它的设备都成为一个巨大的量子阵列的一部分，该阵列会非常迅速地坍缩。尽管看起来粒子在测量过程中从叠加态变为实际位置，但这种转变发生在粒子与设备相互作用的那一刻，在测量发生之前。

如果坍缩最终被证明是一种真实的物理现象，那么实际后果可能是重大的。首先，它可能会限制新兴的量子计算机技术。“理想情况下，您希望制造越来越大的量子计算机，” 巴斯说。“但是您将无法运行量子算法，因为坍缩会杀死一切。” 几十年来，大多数物理学家都将坍缩视为量子理论中基本上无法检验的方面。但是 CSL 和其他坍缩模型改变了这一点。例如，CSL 模型预测，坍缩作用会给粒子带来轻微的抖动，从而产生普遍存在的背景振动，这可能在实验中被检测到。“[在 CSL 中]坍缩对于微观和宏观系统都是普遍存在的，” 巴斯说。“每次发生坍缩时，您都会稍微移动粒子。” 他和其他物理学家已经在令人惊讶的地方寻找这种证据。他们梳理了激光干涉引力波天文台 (LIGO) 的校准数据，LIGO 是一种能够记录小至质子宽度一万分之一的运动的仪器。

2016 年 2 月，LIGO 报告首次探测到引力波。该波是由两个遥远碰撞的黑洞引起的时空涟漪，拉伸和挤压了华盛顿州和路易斯安那州实验双站点的两个镜子之间的空间。这种经过的波使 LIGO 镜子的位置移动了仅为质子直径的千分之四，与爱因斯坦广义相对论的预测完全一致。但是巴斯和他的同事在 LIGO 的数据中没有发现任何证据表明 CSL 预测的那种量子推动力引起了额外的运动。这个结果并没有让他们感到惊讶。如果量子坍缩是一种实际的物理现象，那么它是一种非常微弱的现象。问题是：有多弱？现在，他们已经对这种效应施加了极其精确的限制。“如果您将该模型应用于 LIGO 的镜子，则镜子应该比预期的移动更多，但镜子并没有移动太多。因此，坍缩噪声不可能太强，” 巴斯说。

物理学家还在旨在寻找暗物质的实验中寻找坍缩的迹象——暗物质是假想粒子，据认为占宇宙物质的 85%。其中一项实验在西班牙比利牛斯山脉中进行，使用锗探测器搜索暗物质粒子快速穿过并产生 X 射线闪光的迹象。坍缩的波函数也应该产生闪光，但实验人员没有看到任何此类发射。

这些类型的实验大大收紧了对坍缩模型的约束，但并非致命。2017 年 9 月，英国南安普顿大学的物理学家安德烈亚·维南特与巴斯和三位同事一起报告说，他们发现了支持 CSL 模型的初步证据。维南特的团队构建了一个微型悬臂梁（一端固定的水平梁），只有半毫米长、两微米厚，顶端装有一个小磁铁。研究人员仔细屏蔽了装置，使其免受任何外部振动，并将悬臂梁冷却到绝对零度以上 40 千分之一开尔文，以消除任何热致运动的可能性。

在这些条件下，由于其粒子的热运动，悬臂梁应该会发生非常轻微的振动。但实际的摆动大于这种可预测的运动。实验的运动探测器（一种名为超导量子干涉器件或 SQUID 的极其灵敏的仪器）发现，悬臂梁及其磁铁像跳水板一样振动，上下弯曲了数万亿分之一米。大约 14 年前，阿德勒计算出，坍缩的波函数可能会产生大约这种大小的振动。

“我们可以看到一些无法解释的噪音，” 维南特在描述他的实验结果时说。“这与我们对坍缩模型的预期相符，但也可能来自我们尚未完全理解的效应。” 他和他的同事一直在致力于升级，以将实验的灵敏度提高至少 10 倍，甚至可能提高 100 倍。“我们应该能够确认是否存在异常现象，或者排除我们观察到的任何有趣的东西。” 维南特说，他们可能需要一段时间才能获得新数据。鉴于量子理论长达一个世纪的主导地位记录，发现偏差的可能性很小。

但是，如果这些实验之一确实成功并证实了量子坍缩现象，那是否意味着该理论的奥秘和悖论将终结？“如果坍缩真的存在，它将把世界划分为不同的尺度，” 新泽西州霍博肯市史蒂文斯理工学院的理论物理学家伊戈尔·皮科夫斯基说。“在一定尺度之上，量子力学将不再是正确的理论。但在该尺度之下，我们所知道的关于量子力学的一切仍然成立。因此，困扰我们的相同的哲学问题和解释仍然适用于较低的尺度。对于电子或原子，您仍然会有多个世界——但月球不会！因此，它并没有解决一些问题——我认为它让问题变得更加奇怪。”

像 CSL 这样的模型只是统一这两个领域的初步努力。尽管它们还不是成熟的理论，但它们最终可能会帮助物理学家开发出比量子力学现在提供的更全面的现实模型。“我自己的信念是，您需要对量子力学进行一些修改，” 阿德勒说。“我不明白这有什么问题。牛顿力学被认为是精确的 200 年，但事实并非如此。大多数理论都有一个适用的领域，然后有一个超出其适用范围的领域，并且需要更广泛的理论。”

但至少就目前而言，量子力学在很大程度上似乎经受住了每一次考验。“不，我们没有面临任何危机。这就是问题所在！” 温伯格说。“过去，当现有理论遇到困难时，我们会取得进展。量子力学不存在这种情况。它根本不与观察结果冲突。这是一个未能满足像我这样的人的反动哲学先入为主观念的问题。”

然而，尽管量子力学非常怪异，但大多数科学家都很乐意保持现状。他们继续使用该理论来操作他们的原子对撞机和暗物质探测器，并且很少停下来思考量子力学对现实的基本性质说了什么——或没有说什么。“我认为大多数物理学家都有一种在我看来非常健康的态度，” 温伯格说，“继续使用它，努力推进我们知识的前沿，并将哲学问题留给后代。” 然而，不止少数人不愿意等待那么久。“有些人会告诉您，量子力学教会我们世界是奇怪的，所以我们必须接受它，” 巴斯说。“我会说不。如果有什么东西很奇怪，那么我们必须更好地理解它。”