量子力学的百年之谜正在消解吗

沃伊切赫·祖雷克（Wojciech Zurek，右）的工作能否建立在埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger，左上）和尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，左下）的工作基础之上，从而解释可观测现实是如何从量子理论中涌现的？Michael Waraksa 为 Quanta Magazine 供图。

目前没有哪一种关于量子理论的主流诠释是非常令人信服的。例如，它们要求我们相信，我们所体验的世界与构成它的亚原子领域有着根本的分裂。或者存在着疯狂增殖的平行宇宙，再或者某种神秘的过程导致了量子态的自发坍缩。这种令人不满意的状态是我 2018 年出版的关于量子力学意义的著作《超越怪异》（Beyond Weird）中的一个核心要素。难怪在这个理论发展了一个世纪之后，专家们对于量子理论究竟如何描述现实，依然像以前一样分歧严重。

但在阅读了物理学家沃伊切赫·祖雷克（Wojciech Zurek）于 2025 年 3 月出版的《退相干与量子达尔文主义》（Decoherence and Quantum Darwinism）一书后，我感到非常兴奋，因为我们有可能得到一个摒弃所有那些奇幻概念的答案。祖雷克就职于新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory），几十年来他一直致力于解决这样一个问题：支配原子和亚原子粒子行为的量子规则，是如何转换为在日常生活中运作的经典物理学规则（如牛顿运动定律等）的。

祖雷克关于这种转变如何发生的关键想法被称为“退相干”（decoherence），这一概念已经相当成熟。但他的这本书首次将他一直在发展的所有要素汇集在一起，形成了一个宏大的综合体。他认为，量子理论过去的未解之谜正在开始消散。在我看来，祖雷克几乎解开了困扰物理学 100 年的那些悬而未决的问题，并且没有引入任何实质性的新假设或推测性假设。在这样做的过程中，他声称统一了以前无法调和的观点。让我们看看他的方法能带我们走多远，以及剩下的谜团到底在哪里。

如果你对量子力学有所了解，你可能会认为最大的怪异之处在于“量子”部分：这种观点认为世界在最微小的尺度上是颗粒状的，粒子只能通过交换固定大小的能量小包，以突然的量子跃迁的方式来改变能量。这种想法情有可原。但这本身并不那么令人费解。或者你可能认为最奇怪的是维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）著名的不确定性原理，该原理规定存在某些成对的属性（例如粒子的位置和动量），我们永远无法同时以超过一定限度的精度来了解它们。精确测量粒子在哪里，它的去向就会变得不可知。但这种不确定性仅仅是一个更深层次问题的症状。

归根结底，关于量子力学的争论有着大得多的赌注：现实究竟是什么。基本问题在于，该理论告诉我们，如果我们对诸如原子或电子等量子系统进行测量，我们有望观察到什么。这听起来可能与任何其他科学理论没什么不同，但事实并非如此。因为量子力学实际提供的是测量结果的概率。仅凭这一点，我们无法推断出在进行测量之前世界是什么样子的。它没有告诉我们世界是如何运转的，只告诉我们如果我们去看会看到什么。马里兰大学的物理学家兼哲学家杰弗里·巴布（Jeffrey Bub）告诉我，量子不确定性“不仅代表着我们对实际情况的无知，【而是】一种对尚未具有真值的事物的新型无知，即在测量之前，事物根本就不存在这样或那样的确定状态。”

在埃尔温·薛定谔于 1926 年提出的量子力学表述中，量子系统的状态由一个被称为波函数（wave function）的数学实体来表示。波函数是一个抽象的结构，它允许我们预测对该量子系统进行测量时各种可能结果的概率。在我们测量它的某个属性（比如电子的位置）之前，它所有可能的位置都在波函数中表示为一种“叠加态”（superposition），这意味着每个位置都有可能以一定的概率被观测到。任何特定的观察或测量永远只会看到其中一个结果，而连续、完全相同的实验可能会看到不同的结果。测量的行为似乎让这种模糊的量子特性消失了，取而代之的是某种确定的、更符合我们对经典现实体验的东西。

位于伦敦的雕塑《量子云》（Quantum Cloud）由安东尼·戈姆利（Antony Gormley）设计，它看起来像是一堆随机的粒子，但在中心汇聚成一个人形。它的灵感来源于经典现实是如何从量子物理学中涌现的。PA Images/Alamy 供图。

因此，波函数无法告诉我们在测量之前量子系统是什么样子的。相比之下，在宏观尺度、经典的牛顿物理学中，即使没有人在看，事物也具有明确的属性和位置。经典世界和量子世界似乎被海森堡在 20 世纪 20 年代末所称的“切口”（cut，即边界）隔开了。对他和在哥本哈根的尼尔斯·玻尔来说，现实必须由经典物理学来描述，而量子力学则是我们作为经典实体，用来描述我们观察到的微观世界的理论。仅此而已。

但是，为什么对于宏观事物和微观事物，应该有两种完全不同的物理学（经典物理学和量子物理学）呢？而且其中一种物理学在哪里、又是如何接替另一种的呢？对玻尔及其同事来说，原子的尺度和人类的尺度似乎相差如此悬殊，以至于这个问题似乎并不那么重要。他们说，无论如何，对于把“切口”放在哪里，我们有一定的选择权，这取决于我们决定在量子方程中包含什么。但今天，我们可以在多个长度尺度上探测世界，包括介于两者之间的介观尺度（比如几纳米），在这个尺度上，尚不清楚应该适用量子规则还是经典规则。事实上，如果实验受到控制且足够灵敏，我们仍然可以在那些大到足以用普通光学显微镜看到的物体中发现量子行为。因此，我们无法回避这样一个问题：如何解释从量子到经典的转变——即当我们拉远视角或进行测量时，似乎发生的“变为现实”（becoming real）的过程。

量子力学本身似乎并没有解释这个测量过程，在这个过程中，波函数中表示的所有量子概率都“坍缩”为一个单一的观测值。对于玻尔和他在哥本哈根的同事来说，坍缩只是比喻性的：是我们所体验的经典世界的一种反映。其他人则试图将坍缩解释为一个真实的、自发的、时间随机的物理事件，它从众多可能性中挑出了一个独特的结果——尽管究竟是什么因素会导致这种物理坍缩尚不清楚。还有人援引路易·德布罗意（Louis de Broglie）假设、后来由大卫·玻姆（David Bohm）发展的描述，在这种描述中，粒子确实具有明确的属性，但它受到一种神秘的“导航波”（pilot wave）的引导，这种波产生了量子物体奇特的波动行为（如干涉）。还有人采用了休·埃弗里特（Hugh Everett）1957 年的诠释，现在通常被称为“多世界诠释”（many worlds），该理论假设不存在坍缩，所有测量结果都在平行宇宙中实现了，因此现实在不断地分支成多个相互无法接触的版本。

Michael Waraksa 为 Quanta Magazine 供图。

所有这些总是让我觉得充满了奇思妙想。为什么不看看我们用传统的量子力学能走多远呢？如果我们能仅仅使用该理论的正式数学框架，就能解释独特的经典世界是如何从量子力学中产生的，我们就可以摒弃玻尔“哥本哈根诠释”中令人不满且人为设立的“切口”，以及其他诠释中那些晦涩难懂的附属概念。

这正是祖雷克工作的切入点。从 20 世纪 70 年代开始，他和物理学家 H·迪特尔·泽（H. Dieter Zeh）密切关注量子理论本身对测量过程的揭示。（如果不是因为几十年来研究人员一直被劝阻不要对理论中这些基础但未解决的问题提出质疑——理由是这不过是毫无意义的哲学——这可能会发生得更早。）

祖雷克方法的核心要素是被称为量子纠缠（quantum entanglement）的现象，这是量子尺度上发生的另一件违背直觉的事情。薛定谔在 1935 年为这种现象命名，认为它实际上是量子力学的核心特征。在阿尔伯特·爱因斯坦及其同事指出，两个量子粒子通过物理力接触后，似乎发生了奇怪的相互联系后，他想出了这个名字；如果你测量其中一个，看起来你瞬间影响了另一个的属性，即使它们不再靠在一起。“看起来”是这里的关键措辞：事实上，量子力学表明，相互作用和由此产生的纠缠使得这些粒子不再是独立的实体。它们由一个单一的波函数来描述，该波函数定义了两个粒子的可能状态。例如，联合波函数可能会说，无论其中一个在磁性上指向哪个方向，另一个必须指向相反的方向。

当粒子相互作用时，纠缠是不可避免的。这对测量过程意味着：被观测的量子对象与测量仪器的原子发生了纠缠。这里的“测量”不一定意味着用某种高级的科学套件去探测物体；它适用于任何与其环境发生相互作用的量子对象。苹果中的分子由量子力学来描述，从表面分子弹回的光子会与这些分子发生纠缠。这些光子将关于分子的信息传递到你的眼睛——比如关于苹果皮的红色，这源于构成它的分子的量子能态。

换句话说，祖雷克和泽意识到，纠缠无处不在，它是量子和经典之间的信息管道。当量子对象与其环境相互作用时，它就会与环境发生纠缠。泽和祖雷克仅使用了常规的量子数学证明，这种纠缠“稀释”了该物体的量子特性，因为它变成了与纠缠环境共享的属性，所以量子效应很快在物体本身上变得不可观测。他们将这个过程称为退相干（decoherence）。例如，量子对象的叠加态扩散到了其所有环境纠缠物中，所以为了推断出这种叠加态，我们需要检查所有（快速成倍增加的）纠缠实体。要做到这一点，就如同指望把已经在一片汪洋大海中散开的一滴墨水重新聚合起来一样，毫无希望。

沃伊切赫·祖雷克（上）与合作者杰斯·里德尔（Jess Riedel，左下）和已故的 H·迪特尔·泽（H. Dieter Zeh，右下）合作，几十年来一直致力于弥合量子与经典之间的鸿沟。图片来源：Wojciech Zurek；Rod Searcey；Rolf Kickuth，通过维基共享资源提供。

退相干发生得极其迅速。对于漂浮在空气中的一粒灰尘来说，与光子和周围气体分子的碰撞将在大约 10^-31 秒内产生退相干——大约是光穿过单个质子所需时间的百万分之一。实际上，一旦遇到环境，退相干几乎瞬间就会破坏脆弱的量子现象。

但测量不仅仅关乎退相干。正是与环境的纠缠，将关于物体的信息印刻在了该环境中——例如在测量设备中。在过去的二十年左右时间里，祖雷克一直在研究这是如何发生的。事实证明，一些量子态具有允许它们在环境中生成多个印记的数学特征，而不会被退相干模糊到不可见的程度。因此，这些状态对应于那些在退相干的、可观测的经典世界中“存活”下来的属性。

这是可能做到的，因为产生每个印记的相互作用，让量子系统保持在其发生相互作用之前的状态，而不是将其撞击到另一个状态或与其他状态混合。例如，光子可以从原子上弹开，带走有关其位置的信息，而不会改变系统的量子态。

祖雷克称这些稳健的状态为“指针态”（pointer states），因为正是它们能够使测量设备中的指针指向特定的结果。指针态对应于经典可观测的属性，例如位置或电荷。与此同时，量子叠加态不具备这种属性；它们无法稳健地生成副本，因此我们无法直接观测到它们。换句话说，它们不是指针态。

祖雷克证明，指针态可以在环境中一次又一次高效且稳健地被印刻。“这样的状态是‘最适者’（the fittest），”他告诉我。“它们能在复制过程中存活下来，因此关于它们的信息可以成倍增加。”类似于达尔文的进化论，它们被“选择”进入经典世界，因为它们擅长以这种方式被放大——或者说被复制。这就是祖雷克书名中的“量子达尔文主义”（quantum Darwinism）。

这些印记成倍增加的速度极快。2010 年，祖雷克和他的合作者杰斯·里德尔计算出，在一微秒内，来自太阳的光子将会把一粒灰尘的位置印刻大约 1000 万次。

祖雷克的量子达尔文主义理论——重申一下，该理论只不过是使用了标准的量子力学方程，并将其应用于量子系统与其环境的相互作用之中——做出了目前正在被实验测试的预测。例如，它预测了关于量子系统的大部分信息可以通过环境中极少量的印记收集到；信息的含量迅速“饱和”。初步实验证实了这一点，但仍有更多工作要做。

正如我们所见，每一个印记都对应一个经典的观测：一些我们可以认为是现实元素的东西。比如说，在这个印记中，电子的磁性方向向上。但是，难道不可想象吗，因为最初的量子态包含了不同结果的概率，一个印记可能对应“上”，而另一个对应“下”，这样不同的观察者就会看到不同的现实——这并不完全是一个叠加态，而是以多版本经典现实的形式清晰地体现出的叠加态的结果？

这将我们引向了退相干理论的另一个启示，正是这个启示使我相信祖雷克的理论现在讲述了一个完整的故事。它预测所有的印记必须是相同的。因此，量子达尔文主义坚持认为，一个独一无二的经典世界能够且必须从量子概率中涌现出来。这种对共识的强制要求，排除了相当神秘且特设的坍缩过程，取而代之的是更加严谨的东西。被观测的物体，被其宏观环境中一团相同、可观测的印记云所包围，构成了祖雷克所说的“相对客观存在”的一个要素。它成为了我们具体经典现实的一部分，祖雷克将其称为一个“外延体”（extanton，指延伸到外部环境的确存实体）。

正是在这一点上，该理论有望化解关于诠释的争端。祖雷克说，它实现了看似不可能的事情：调和了哥本哈根诠释和多世界诠释。在前者中，波函数被认为是认知性的（epistemic）：它描述了我们对量子世界所能知道的东西。在后者中，波函数被认为是本体性的（ontic）：它是终极实在——对现实所有分支的同时描述——尽管我们永远只能体验这个量子多重宇宙的一个分支。祖雷克说，波函数其实两者兼具。“这两种关于量子态相互冲突的观点【认知性和本体性】，以及坚持认为状态必须是其中之一的看法是错误的，”当我问及他书中讲述的故事时，他这样对我说。相反，状态是“认知-本体的”（epiontic）。也就是说，在退相干发生之前，所有的量子可能性在某种意义上都是存在的。但是，退相干和量子达尔文主义只选择其中之一作为我们可观测现实的要素，而不必在其他某个世界中为所有其他可能性赋予经典现实。其他状态存在于一个抽象的可能性空间中，但它们一直留在那里，永远没有机会通过纠缠演变成可观测的现实。

我不想断言祖雷克的图景终于澄清了量子力学。例如，为什么在给定的测量中，是这个结果而不是那个结果被选中？我们必须（正如玻尔和海森堡所坚持的那样）仅仅接受它是随机发生、没有任何原因的吗？量子世界到底在什么时候不可逆转地锁定了一个特定的测量结果，以至于我们无法再从对象与环境相互作用的纠缠网络中“收集”出一个叠加态？最重要的是：我们如何才能更严格地验证这个理论？

我与之交谈过关于祖雷克图景的一些专家表达了谨慎的热情。例如，澳大利亚昆士兰大学的萨莉·什拉普内尔（Sally Shrapnel）告诉我，祖雷克的计划“代表了一种从量子理论的基本假设出发来解释经典性涌现的优雅方法”，但它仍然没有解决“关于底层‘量子基底’实际上是什么这个棘手问题。”比如，我们该如何看待退相干之前所有可能性仍然存在的那个领域？它有多“真实”？

苏黎世联邦理工学院的雷纳托·伦纳（Renato Renner）并不相信调和哥本哈根诠释和多世界诠释就能解决所有问题。他指出，有可能构建出奇怪但在实验上可行的场景，在这些场景中，不同的观察者无法对结果达成一致。即使这些例外情况看起来是人为设计的，他认为它们表明我们仍未找到真正行之有效的量子诠释。

尽管如此，祖雷克方法的哲学基础在我看来是正确的。与其试图编造复杂的故事来解决量子力学的测量问题，为什么不耐心、细致地探究标准量子力学对“有关量子对象的信息是如何传递到可观测世界中”所能做出的解释呢？在量子先驱们一个世纪前开启的这场革命中，他们留下了很多未完成的工作，过早地排除了这个问题（通常是通过坚持哥本哈根诠释或毫无疑问地接受它）。现在，我们至少有希望完成那项任务了。