【基礎科研】談量子力學（一）

我一直以簡明易懂爲原則來寫稿，畢竟我所談的話題本身都已經是很複雜的現象，必須加以濃縮簡化才能說得清楚。不過那些有關社會人群的事，一般讀者至少還有直覺性的經驗；量子力學則不衹是極爲專業，而且極爲反直覺（Counter-Intuitive），不是下過多年苦工的人不太可能真正瞭解它的精微細緻之處，所以原本我沒有計劃要談。不過昨天有讀者要求，我又自忖一輩子所學的很多很雜，卻不是教書的，沒有弟子可傳，自己的兒子對這些研究也基本沒有興趣，等我年老癡呆了，這些思想也將隨腦力的衰退而湮沒，似乎有點可惜，所以不自量力，在這裏談談我對量子力學的理解。如果不是物理系出身的讀者，請自由忽略，不必強讀。

量子力學的核心是它的波動方程式，這是一個普通的微分方程，如何定量地求解是理工科出身的人都應該學過的。真正要懂量子力學的涵義，難點在於如何定性地將量子力學的計算與現實的觀察聯係起來。大家都知道量子波的平方代表著機率密度，如果反復做同一個實驗，測量結果會成隨機分佈（但是量子力學不是擲骰子；擲骰子是古典的隨機事件，量子現象除了所有的測量值都有可能出現之外，還有測量值之間的相干，參見下面的雙縫實驗）。但是粒子還是粒子，如果衹專注在一個粒子上，測量後就衹能有一個定值，那麽與它對應的量子波必然也在測量過程中被改變而集中在這個定值上。量子力學的祖師們對這個現象的哲學解釋有不同的理解；很不幸的，因爲哲學解釋不能由實驗取決，最後勝出并主導後來教科書内容的是當時身份地位最高的Niels Bohr所鼓吹的量子波崩潰論（Wave Function Collapse）；因爲Bohr是柯本哈根學派的宗師，所以也叫作柯本哈根解釋（Copenhagen Interpretation）。它的邏輯漏洞不止困擾了後世無數的理工科學生，而且還衍生了所謂“New Age”的僞科學。

拿雙縫實驗爲例子，一束粒子照射到開了兩條平行縫隙的障礙上，會在其後的墻上產生一系列的干涉條紋。在這個例子裏，粒子撞墻的位置，是“外界測量”的物理量。如果衹用一顆粒子，自然衹會有一個碰撞點，但是這個點出現的機率分佈正是前面所説的干涉條紋。古典粒子即使是隨機的，也衹會在兩條平行縫隙後方各產生一個條紋。

量子波崩潰論說在受到“外界測量”後，量子波隨之崩潰，這個崩潰的過程是立即而且不受波動方程式主導的。這個説法不但肆意强加了一個超越波動方程式的人工成分，而且連定義都無法自圓其説：什麽算是外界？什麽才算是測量？測量是否代表著心智？那麽一切現象是否植根於唯心認知？一個很明顯很簡單的物理現象，一下子變成了絕對唯心論的根據，這在邏輯上實在牽扯得太遠了。但是物理學者也是人，他們也有社會慣性，雖然正確的解讀從一開始就有人明白，但還是一直拖到1980年代，高能物理界才緩慢地開始承認量子波崩潰論是不合邏輯也沒有必要的。那時推動新的量子去相干（Quantum Decoherence）看法的，就包括在哈佛教量子場論的Sidney Coleman；他很得意地在他的辦公室解釋給我聽時，當時很年輕的我不識相地說這是理所當然的，他也就理所當然地不高興。

量子去相干論說沒有所謂的外界，測量儀器和被測量的粒子都屬於同一個整體的量子波（其實整個宇宙都在同一個量子波裏），儀器與粒子間的作用在於打破不同測量值之間的相干關係（事實上可以説，所謂的測量儀器，本身就是專門設計來打破不同測量值之間的相干關係的機制），這一般是靠儀器所含的極大數量的凝態原子來吸走被測量的粒子的量子不確定性，其結果是粒子表現得如同一個古典的骰子。但是整個過程中量子波的變化在時間上是連續的，始終遵守著波動方程式，衹不過在粒子與儀器碰撞后，它的量子波的尖峰有了明顯的分離。以薛定格的貓（Schrodinger's Cat）爲例，當我們打開箱子時，貓的量子波并沒有崩潰，衹不過是在開箱之前已經分離爲生與死的兩個尖峰。而且由於貓和毒氣機制所含的原子很多，又是在凝態，這個分離早在箱子裏的量子糾結粒子接觸到毒氣機制以決定是否觸發毒氣的時候就已發生。如同所有古典的隨機事件一樣，現實必須擇一發生。柯本哈根解釋中又是生又是死的貓就從來不存在；不論箱子外面有沒有觀察者，它始終衹能或是生或是死。

很不幸的，等到物理界把量子去相干搞清楚時，已經是超弦即將席捲高能物理的前夕，所以更進一步的解釋就走上了歧路。