量子世界如何跨越？

M西蒙·格羅布拉赫的許多手工製品肉眼都無法看見。他在荷蘭代爾夫特理工大學實驗室製造的機械裝置之一隻有幾百萬分之一米長——比細菌大不了多少——厚度為250奈米，大約是一張紙厚度的千分之一。格羅布拉赫無疑可以繼續縮小他的設計，但他有不同的目標：他想將事物放大，而不是縮小。“我們正在努力製造真正非常大的東西，” 他一邊說，一邊在他的電腦上調出硬體影像。請記住，對於實驗物理學家格羅布拉赫來說，“真正非常大”意味著幾乎不用顯微鏡就能看到的東西，“尺寸為一毫米乘一毫米。”

透過在遠小於龐大宏偉的尺度上工作，格羅布拉赫希望解決一個非同尋常的問題：單個宏觀物體能否同時存在於兩個地方？比如，一個針頭大小的東西能否同時存在於此地和彼地？這種看似不可能的條件實際上是原子、光子和所有其他粒子的常態。根據量子理論的超現實定律，最基本層面的現實違背了我們的常識假設：粒子沒有固定的位置、能量或任何其他確定的屬性——至少在無人觀察時是這樣。它們同時存在於多種狀態。

但是，由於物理學家不理解的原因，我們看到的現實是不同的。我們的世界——即使是我們無法直接觀察到的部分——也顯然是非量子的。真正大的東西——意味著從病毒到更大的任何東西——總是隻在一個地方顯現；只有一個格羅布拉赫在他的代爾夫特實驗室裡和一個時差反應嚴重的、奮筆疾書的記者交談。問題在於：如果一切都建立在物質和能量的量子模糊之上，為什麼我們自己沒有體驗到量子怪異性？量子世界在哪裡結束，所謂的牛頓物理學的經典世界又在哪裡開始？現實中是否存在裂痕，是否存在量子效應完全停止的尺度？還是量子力學在任何地方都起作用，而我們卻在某種程度上對此視而不見？

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“我們知道微觀世界是量子的，並且我們以某種方式是經典的——無論這意味著什麼，” 義大利的裡雅斯特大學的理論物理學家安傑洛·巴斯說。“我們對微觀和宏觀之間物質的真實性質一無所知。” 自一個世紀前量子理論誕生以來，這片無人區一直困擾著物理學家。但近年來，格羅布拉赫和其他物理學家已經開始進行極其靈敏的桌面實驗，這些實驗有一天可能會揭示物體如何從量子態驚人地過渡到日常狀態。這些努力是會解決量子理論的奧秘還是會加深它們，目前尚無人能說。但是，在探索狂野而模糊的量子邊界地帶時，研究人員有機會發現一個全新的物理學領域。

測量問題

儘管存在各種悖論，量子力學仍然是有史以來最強大、最嚴謹的科學理論。該理論的預測與實驗結果驚人地吻合——在某些情況下，精度甚至優於萬億分之一。透過徹底改變我們對原子結構的理解，它改變了科學的方方面面，從生物學到天體物理學。沒有量子理論，就不會有電子產業，沒有手機，沒有谷歌。然而，普林斯頓高等研究院的理論物理學家斯蒂芬·L·阿德勒說，該理論有一個明顯的缺點：“在量子力學中，事情不會發生。”

阿德勒隱晦的評論指的是量子理論的基本方程對現實本質的說明——或未說明之處。這些方程被稱為波函式，它們為物體在各種狀態下被發現的可能性分配了機率。與牛頓物理學不同，在牛頓物理學中，蘋果、行星和所有其他事物始終具有明確定義的屬性，而量子物理學本質上是機率性的。從某種意義上說，用波函式描述的粒子甚至不能說是完全存在的；它們沒有固定的位置、速度或能量——它們只有機率。

但是，當科學家進行測量時，一切都會改變。然後，真實、有形的屬性就會出現，彷彿是被僅僅觀察它們的嘗試所召喚出來的一樣。該理論不僅沒有說明為什麼測量會帶來這種轉變，也沒有告訴我們為什麼眾多可能性中的一種會顯現出來而不是其他可能性。量子力學描述了測量結果可能發生什麼，但沒有描述將會發生什麼。換句話說，該理論沒有提供從機率到實際轉變的機制。

為了在量子力學中“使事情發生”，該理論的一位傳奇創始人提出了一種近乎形而上學的技巧。在 20 世紀 20 年代後期，維爾納·海森堡提出並傳播了一種觀點，即測量的行為本身會使粒子的波函式“坍縮”——許多潛在的結果瞬間減少為一個觀察到的結果。這個想法的唯一缺陷是，量子理論的方程中沒有任何內容表明會發生坍縮，也沒有提供解釋它的物理過程。海森堡的“解決方案”實際上在物理學中引入了一個新的謎團：當波函式坍縮時，到底發生了什麼？這個量子難題現在被稱為測量問題。

在過去的 90 年裡，物理學家可能已經習慣了坍縮的想法，但他們從未真正喜歡過它。人類行為——測量——在我們關於宇宙如何運作的最基本理論中起著核心作用，這種觀念讓任何傾向於客觀現實概念的人都感到不舒服。

“從根本上講，我對物理理論應該是什麼樣子有一個理想，” 2021 年 7 月去世的諾貝爾獎得主物理學家史蒂文·溫伯格說。“它應該是不以任何具體方式提及人類的東西。它應該是可以從中推匯出一切其他事物的理論——包括您可以系統地說出的關於化學、生物學或人類事務的任何內容。它不應該在自然規律的開端就有人類。然而，我看不出在不使用解釋性假設的情況下構建量子力學的方法，而這個假設指的是當人們選擇測量一件事或另一件事時會發生什麼。”

選擇你的解釋

解決測量問題的一種巧妙方法是假設坍縮根本不會發生。在 20 世紀 70 年代初期，當時在德國海德堡大學的已故 H. 迪特爾·澤提出了一種過程，該過程在保留波函式的完整量子多樣性的同時，產生了坍縮的表象。澤認為，在現實世界中，任何特定物體的波函式都與環境中其他所有事物的波函式不可救藥地糾纏在一起，以至於無法跟蹤我們周圍發生的所有無數的量子相互作用。用量子術語來說，波函式變得“糾纏”——一種特殊的關聯，即使在巨大的距離上也能保持連線。觀察者只能期望看到這個巨大的糾纏系統的一小部分，因此任何特定的測量都只捕獲了量子世界的一小部分。

澤將這個過程稱為“退相干”，它已成為物理學家中普遍接受的解釋，用於解釋為什麼我們沒有在宏觀層面上觀察到量子現象。它描述了一個完整的波函式（包含粒子可能具有的所有可能的物理狀態）如何在與周圍其他量子系統的波函式混合時退相干。如果退相干模型是正確的，那麼我們自己就生活在糾纏的量子網路的鏈條中，但只看到了其中的一部分。

並非所有物理學家都認為退相干解決了測量問題。首先，它仍然無法解釋為什麼我們看到量子網路的一條鏈條而不是其他鏈條。“您仍然必須援引坍縮假設，該假設採用糾纏態並表示必須選擇其中一種可能的狀態，這通常是透過法令完成的，” 達特茅斯學院的理論物理學家邁爾斯·P·布倫科夫說。對於布倫科夫和其他人來說，這個過程並沒有捕捉到我們體驗事物的方式。“我相信我們有一個正在演化的世界，” 他說。“您如何從糾纏態轉變為這種對世界的感知，即始終找到通往未來的唯一路徑？許多量子力學家會認為，需要發生坍縮來恢復世界演化過程中的這種統一性，而不是這種不斷擴大的糾纏網路。” 阿德勒對退相干的評價更加直率：“它根本沒有提供[坍縮的]機制。它根本沒有解決問題。”

六十多年前，普林斯頓大學的一位博士生提出了一個更激進的坍縮問題解決方案。休·埃弗雷特在他的 1957 年博士論文中認為，波函式既不坍縮也不退相干。相反，它的所有組成部分都是物理上真實的，是宇宙無休止分支的組成部分。埃弗雷特的“多世界”解釋（正如它所稱的那樣）在宇宙學家中很受歡迎，他們有其他理由認為我們可能居住在一個多元宇宙中。但是，沒有人能夠透過實驗將多世界思想與標準量子理論區分開來。

對於量子力學的其他解釋也是如此。法國物理學家路易·德布羅意是量子理論的創始人之一，他試圖透過引入“導波”的概念來消除對坍縮的需求，導波引導電子和所有其他粒子的路徑。在德布羅意的量子理論版本中，美國物理學家戴維·玻姆在 20 世紀 50 年代進一步發展了該理論，其中沒有神秘的坍縮；測量只是顯示了導波及其相關粒子的相互作用。但是，再次強調，沒有人找到實驗證據可以將德布羅意和玻姆的導波現實觀與埃弗雷特的多個世界或任何其他十幾個關於量子力學的不同觀點區分開來。最終，量子支持者根據美學選擇他們最喜歡的現實描述。“我仍然回到我們有一個正在演化的世界這一事實，” 布倫科夫說。“為此，確實需要某種坍縮，這不僅僅是實驗結果的規則，而是一些實際的過程。”

測試坍縮

代爾夫特市可能符合糾纏量子系統的條件。它寧靜的運河和中世紀的磚砌建築在空間和時間上與汽車、腳踏車、手機商店以及在畫家約翰內斯·維米爾曾經走過的狹窄街道上從通宵派對中蹣跚回家的學生重疊。格羅布拉赫的實驗室位於老城中心以南約兩公里處，感覺像是未來幾百年後的地方。在一個溫暖的春日早晨，他向一位訪客展示了他和他的同事建造的“真正非常大”的東西之一：一個毫米大小的薄膜，連線到一個矽晶片上，肉眼幾乎看不見。

近距離觀察（或在格羅布拉赫辦公室外的走廊裡的海報上放大），該薄膜類似於一個微小的蹦床。它由氮化矽製成，氮化矽是一種耐用的陶瓷材料，曾用於太空梭的發動機軸承，並在其中心裝有一個高反射率的鏡子。來自晶片上元件的單次衝擊可以使薄膜振動數分鐘。格羅布拉赫說，這種薄膜是“非常好的振盪器”。“為了說明這一點，這就像推一個人盪鞦韆，這個人會在一次推動下前後擺動 10 年。” 儘管薄膜尺寸很小，但它非常堅固。“我們真的在其中施加了很多應力——六千兆帕斯卡，” 格羅布拉赫的合作者之一理查德·A·諾特說。“它大約是腳踏車輪胎中應力的 10,000 倍，而厚度僅為 DNA 寬度的八倍左右。”

這些堅固的特性使該薄膜成為研究量子現象的理想場所——它在室溫下可靠地振動而不會破裂。格羅布拉赫和諾特計劃最終使用雷射將薄膜推入疊加態——一種量子態，其中薄膜可以同時以兩種不同的振幅振盪。原則上，薄膜持續擺動數分鐘的能力應該允許這種量子態持續足夠長的時間，以觀察當薄膜坍縮為單個經典態時（或是否坍縮）會發生什麼。

“這正是您建立某種量子性所需要的，” 格羅布拉赫說。“您不希望它與環境互動，因為這會引起退相干——據推測是這樣。因此，您需要一個真正隔離良好的系統，使其處於量子態，然後開啟您自己的退相干，這是您可以控制的東西——雷射。我們仍然沒有達到可以實際建立系統振盪疊加的程度。但這就是我們在幾年內的目標。”

格羅布拉赫和他的同事們並不打算止步於此。研究人員希望最終將一個生物放置在薄膜上，然後將薄膜以及其上的任何乘客置於量子疊加態。進入量子空間的這項任務的主要候選者是被稱為緩步動物的八足微生物，也稱為水熊。“它們是神奇的生物，” 格羅布拉赫說。“您可以將它們冷卻——它們仍然活著；您可以加熱它們——它們仍然活著；將它們放入真空中——它們仍然活著。” 他承認這一步還有一段路要走。“這並非瘋狂。作為一個長期目標很好，但首先我們必須讓我們的裝置進入疊加態；然後我們可以考慮放入生物體。”

連續自發定域

無論有沒有緩步動物，這樣的實驗都將使物理學家能夠測試自然是否以某種方式審查超過一定尺寸範圍的量子效應。一些物理學家提出，坍縮可能是一種實際的物理現象，具有可測量的影響。一種想法（稱為連續自發定域，或 CSL）是，波函式坍縮只是微觀世界中不斷發生的隨機事件。根據 CSL，任何一個粒子發生坍縮的可能性都極低——可能每數億年發生一次——但對於大量的粒子聚集體，坍縮成為必然。

“單個質子必須等待大約 10¹⁶ 秒才能看到坍縮，因此在宇宙的整個生命週期中只發生幾次，” 巴斯說。但是，任何宏觀物體中大量的粒子都使得坍縮不可避免。“如果您拿一張桌子，其中包含大約阿伏伽德羅數的粒子——10²⁴——坍縮幾乎立即發生。” 如果 CSL 是真實的，那麼測量和觀察在坍縮中沒有任何作用。在任何測量中，給定的粒子和記錄它的裝置都成為一個巨大的量子陣列的一部分，該陣列會非常迅速地坍縮。儘管看起來粒子在測量過程中從疊加態變為實際位置，但這種轉變發生在粒子與裝置相互作用的那一刻，在測量發生之前。

如果坍縮最終被證明是一種真實的物理現象，那麼實際後果可能是重大的。首先，它可能會限制新興的量子計算機技術。“理想情況下，您希望製造越來越大的量子計算機，” 巴斯說。“但是您將無法執行量子演算法，因為坍縮會殺死一切。” 幾十年來，大多數物理學家都將坍縮視為量子理論中基本上無法檢驗的方面。但是 CSL 和其他坍縮模型改變了這一點。例如，CSL 模型預測，坍縮作用會給粒子帶來輕微的抖動，從而產生普遍存在的背景振動，這可能在實驗中被檢測到。“[在 CSL 中]坍縮對於微觀和宏觀系統都是普遍存在的，” 巴斯說。“每次發生坍縮時，您都會稍微移動粒子。” 他和其他物理學家已經在令人驚訝的地方尋找這種證據。他們梳理了雷射干涉引力波天文臺 (LIGO) 的校準資料，LIGO 是一種能夠記錄小至質子寬度一萬分之一的運動的儀器。

2016 年 2 月，LIGO 報告首次探測到引力波。該波是由兩個遙遠碰撞的黑洞引起的時空漣漪，拉伸和擠壓了華盛頓州和路易斯安那州實驗雙站點的兩個鏡子之間的空間。這種經過的波使 LIGO 鏡子的位置移動了僅為質子直徑的千分之四，與愛因斯坦廣義相對論的預測完全一致。但是巴斯和他的同事在 LIGO 的資料中沒有發現任何證據表明 CSL 預測的那種量子推動力引起了額外的運動。這個結果並沒有讓他們感到驚訝。如果量子坍縮是一種實際的物理現象，那麼它是一種非常微弱的現象。問題是：有多弱？現在，他們已經對這種效應施加了極其精確的限制。“如果您將該模型應用於 LIGO 的鏡子，則鏡子應該比預期的移動更多，但鏡子並沒有移動太多。因此，坍縮噪聲不可能太強，” 巴斯說。

物理學家還在旨在尋找暗物質的實驗中尋找坍縮的跡象——暗物質是假想粒子，據認為佔宇宙物質的 85%。其中一項實驗在西班牙比利牛斯山脈中進行，使用鍺探測器搜尋暗物質粒子快速穿過併產生 X 射線閃光的跡象。坍縮的波函式也應該產生閃光，但實驗人員沒有看到任何此類發射。

這些型別的實驗大大收緊了對坍縮模型的約束，但並非致命。2017 年 9 月，英國南安普頓大學的物理學家安德烈亞·維南特與巴斯和三位同事一起報告說，他們發現了支援 CSL 模型的初步證據。維南特的團隊構建了一個微型懸臂樑（一端固定的水平梁），只有半毫米長、兩微米厚，頂端裝有一個小磁鐵。研究人員仔細遮蔽了裝置，使其免受任何外部振動，並將懸臂樑冷卻到絕對零度以上 40 千分之一開爾文，以消除任何熱致運動的可能性。

在這些條件下，由於其粒子的熱運動，懸臂樑應該會發生非常輕微的振動。但實際的擺動大於這種可預測的運動。實驗的運動探測器（一種名為超導量子干涉器件或 SQUID 的極其靈敏的儀器）發現，懸臂樑及其磁鐵像跳水板一樣振動，上下彎曲了數萬億分之一米。大約 14 年前，阿德勒計算出，坍縮的波函式可能會產生大約這種大小的振動。

“我們可以看到一些無法解釋的噪音，” 維南特在描述他的實驗結果時說。“這與我們對坍縮模型的預期相符，但也可能來自我們尚未完全理解的效應。” 他和他的同事一直在致力於升級，以將實驗的靈敏度提高至少 10 倍，甚至可能提高 100 倍。“我們應該能夠確認是否存在異常現象，或者排除我們觀察到的任何有趣的東西。” 維南特說，他們可能需要一段時間才能獲得新資料。鑑於量子理論長達一個世紀的主導地位記錄，發現偏差的可能性很小。

但是，如果這些實驗之一確實成功並證實了量子坍縮現象，那是否意味著該理論的奧秘和悖論將終結？“如果坍縮真的存在，它將把世界劃分為不同的尺度，” 新澤西州霍博肯市史蒂文斯理工學院的理論物理學家伊戈爾·皮科夫斯基說。“在一定尺度之上，量子力學將不再是正確的理論。但在該尺度之下，我們所知道的關於量子力學的一切仍然成立。因此，困擾我們的相同的哲學問題和解釋仍然適用於較低的尺度。對於電子或原子，您仍然會有多個世界——但月球不會！因此，它並沒有解決一些問題——我認為它讓問題變得更加奇怪。”

像 CSL 這樣的模型只是統一這兩個領域的初步努力。儘管它們還不是成熟的理論，但它們最終可能會幫助物理學家開發出比量子力學現在提供的更全面的現實模型。“我自己的信念是，您需要對量子力學進行一些修改，” 阿德勒說。“我不明白這有什麼問題。牛頓力學被認為是精確的 200 年，但事實並非如此。大多數理論都有一個適用的領域，然後有一個超出其適用範圍的領域，並且需要更廣泛的理論。”

但至少就目前而言，量子力學在很大程度上似乎經受住了每一次考驗。“不，我們沒有面臨任何危機。這就是問題所在！” 溫伯格說。“過去，當現有理論遇到困難時，我們會取得進展。量子力學不存在這種情況。它根本不與觀察結果衝突。這是一個未能滿足像我這樣的人的反動哲學先入為主觀念的問題。”

然而，儘管量子力學非常怪異，但大多數科學家都很樂意保持現狀。他們繼續使用該理論來操作他們的原子對撞機和暗物質探測器，並且很少停下來思考量子力學對現實的基本性質說了什麼——或沒有說什麼。“我認為大多數物理學家都有一種在我看來非常健康的態度，” 溫伯格說，“繼續使用它，努力推進我們知識的前沿，並將哲學問題留給後代。” 然而，不止少數人不願意等待那麼久。“有些人會告訴您，量子力學教會我們世界是奇怪的，所以我們必須接受它，” 巴斯說。“我會說不。如果有什麼東西很奇怪，那麼我們必須更好地理解它。”