本文来自微信民众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Sabine Hossenfelder & Tim Palmer，原文链接：https://nautil.us/issue/83/intelligence/how-to-make-sense-of-quantum-physics ，头图泉源：IC photo

量子力学不是火箭科学，但它很有可能取代火箭科学，成为一个令人无法明白的数学难题。量子力学出了名的令人难以明白，它违反直觉又看起来毫无意义。科普报道总是将它形貌为“新鲜的”、“怪异的”、“令人难以置信的”或以上所有特点。

然而，我们并不这么以为，量子力学是完全可以明白的。只是物理学家在半个世纪前放弃了唯一的明白方式。时至今日，物理学的基础理论险些停滞不前。昔时没能解决的重大问题今天仍然悬而未决。我们仍然不知道暗物质是什么，我们仍然没有解决爱因斯坦引力理论和粒子物理尺度模子之间的分歧，我们仍然不领会量子力学中丈量意味着什么。

我们怎样才气战胜这些难题？是时刻重新审阅一个早已被遗忘的解决方案：超决定论（Superdeterminism），即宇宙中没有哪两个部门是真正相互自力的。这个方案让我们对量子丈量有了物理上的明白，并有望借此改善量子理论。修正量子理论将成为物理学家们起劲解决物理学中其他问题和寻找量子手艺新应用的驱动器。

量子力学无处不在

到现在为止，物理学家和哲学家都以为，有瑕玷的不是量子力学，而是我们对它的明白。因此，对量子力学的明白可以着重在其数学的重新注释上面，希望问题最终能够取得突破。但突破还没有泛起，由于量子力学的每一种注释都存在问题，他们都不是完全自洽的，只有更好的理论才气解决这些问题。量子力学不能能是自然界运行的最基本的规则，我们要逾越它才行。

问题是，没有人知道为什么当人们试图丈量量子效应时，量子效应会消逝。

公平地说，埋怨量子力学的瑕玷并因此要求完全取代它的其他理论，是对一个云云乐成和准确的理论的最大侮辱。我们必须强调的是，无论量子力学新鲜与否，它都已经存在了跨越100年，它完成了许多了不起的事情并辅助信赖它的物理学家赢得了大量奖金。

没有量子力学，我们就没有激光，就没有半导体和晶体管，就没有盘算机、数码相机和触摸屏。我们不会有自旋磁共振，电子隧道显微镜和原子钟。我们也不会拥有基于所有这些手艺的无数应用程序中的任何一个。我们没有Wi-Fi，没有人工智能，没有LED，现代医学基本上也会不复存在，由于现在大多数成像工具和剖析方式都依赖于量子力学。最后但也很主要的是，量子盘算机不会泛起。

因此，毫无疑问，量子力学与社会息息相关。同理，毫无疑问，更好地明白它可以获得更多功效和提高。

没有人明白量子力学

那么，为什么连著名的物理学家都一再声明量子力学是无法明白的呢？

量子力学的焦点看法是波函数。在量子力学中，一切都是由波函数形貌的。波函数是形容基本粒子的，而基本粒子又组成了一切，以是一切事物都是由波函数来形容。以是有电子的波函数，原子的波函数，猫的波函数等等。严格地说，一切事物都有量子行为，只是在一样平常生涯中大多数量子行为是考察不到的。

问题是，没有人知道为什么当人们试图丈量量子效应时，量子效应会消逝。自从物理学家们提出量子力学以来，这个“丈量问题”就一直困扰着他们。部门谜题都已获得领会决，但对这一部门的明白仍不令人满意。

隐变量：掷骰子的效果是无法展望的，由于它对细节（例如手的动作）敏感。由于这部门信息未知，因此对于现实目的，掷骰子是随机的。这是若何明白量子力学的方式。若是缺少信息，则可以举行量子丈量的效果。

为了领会这个问题，假设你有一个粒子和两个探测器，一个在左边，一个在右边。若是将粒子向左发送，则左检测器会发出滴答声。若是将粒子向右发送，则右检测器会发出咔哒声。但在量子力学中，你可以做的不止这些：你可以让一个粒子同时处于两种状态。例如，你可以通太过束器（beam-splitter ）发射粒子，这样之后它就可以既向左运动又向右运动。物理学家说粒子是左右“叠加”的。

然则你从来没有考察到过一个处于叠加态的粒子。对于这样的叠加态，波函数并不会告诉你一定会丈量到什么，你只能展望你丈量效果的概率。假设它展望到向左的概率是50%，向右的概率也是50%。这样的展望对于一组粒子或一系列重复丈量是有意义的，但对于单个粒子却没有意义。探测器要么发出咔嗒声，要么不发出咔嗒声。

数学上，“发出咔嚓声或不发出咔嚓声”要求我们在丈量瞬间改变它的波函数，这样在丈量之后，粒子在确实丈量到它的探测器中百分之百地存在。

量子力学不能能是自然界运行的最基本的规则，我们要逾越它才行。

这种改变（也称为波函数的“塌缩”）是瞬时的，它在任何地方都同时发生。这似乎与爱因斯坦的光速是信息传播速度的极限相冲突。然而，考察者不能行使这一点来发送比光还快的信息，由于考察者无法控制丈量效果是什么。  

 事实上，丈量更新的同时性并不是主要问题。主要的问题是，若是量子力学像大多数物理学家所信赖的那样是一种基本理论，那么丈量更新应该是多余的。究竟，探测器也是由基本粒子组成的，以是我们应该能够盘算出在丈量中发生了什么。

不幸的是，我们不仅不知道若何盘算探测器被粒子击中时的行为，除非我们只是假设丈量会导致波函数的突变，更糟的是，我们知道这是不能能发生的。

我们知道，若是没有波函数的塌缩，就不能能准确地形貌量子丈量，由于丈量历程比不考察波函数时的行为更庞大。丈量历程的主要作用是消除可丈量效果的叠加性。相反，一个没有被丈量的波函数才会处于叠加态，这根本不是我们考察到的效果。我们从来没有遇到过同时发出咔哒声和不发出咔哒声的探测器。

这在形式上意味着，虽然量子力学是线性的（保持叠加），但丈量历程是“非线性的”，它属于比量子力学更庞大的一类理论。这是改善量子力学的一条主要线索，但险些完全没有人注意到。

相反，有些物理学家以为波函数并没有形貌单个粒子的行为，从而扫除了量子丈量的难题。他们以为波函数形貌的不是粒子自己，而是考察者对粒子行为的领会。当我们举行丈量时，这些知识应该获得更新。但关于这些知识是什么，你不应该问。

然而，这种注释并不能消除这样一个问题：若是量子力学是基本的，那么我们应该能够盘算出在丈量历程中发生了什么。“考察者”所获得的“知识”也应适用于宏观工具，其行为至少在原则上应该可以从基本粒子的行为中导出。而且，我们知道这是不能能的，由于丈量历程不是线性的。一个人不能通过重新注释数学来解决矛盾，只能通过纠正数学来解决。

一种可能的解决方式

解决这个难题只有两条路。一是否决还原论，认可宏观物体的行为不能从其组成部门的行为中推演出来，甚至在原则上也不能。

拒绝还原论在哲学家中很盛行，但在科学家中却异常不受迎接，而且理由充实。还原论已经取得了显著的乐成，并在履历上获得了很好的证实。更主要的是，从来没有人提出过一个一致的、非还原论的自然理论。而放弃还原论而不提出更好的注释不仅毫无用处，而且反科学的。这无助于我们取得希望。

另一个合乎逻辑的解决方案是，量子力学并不是一个基本理论，它只是对更深层现实的一瞥。

若是量子力学不是一个基本理论，那么我们不能预丈量子丈量效果的缘故原由仅仅是我们缺乏信息。因此，量子随机性和掷骰子的随机性没有区别。

普遍关联性，这个看法的特征，并没有在基本粒子的条理上显现出来。

掷骰子的效果在原则上是可以展望的。但它在实践中是不能展望的，由于它对最细小的扰动都异常敏感，好比你的手的准确运动，模具形状的缺陷，或者它转动外面的粗糙度。由于这是我们没有的信息（或者纵然我们有，也无法盘算），掷骰子在所有现实应用中都是随机的。我们最好的展望是，当我们对未知的、确切的细节举行平均时，任何一面泛起的概率是1/6。

这是我们明白量子力学的一种方式。丈量效果原则上可以展望，只是我们缺少信息。波函数自己并不是对单个粒子的形貌，丈量效果只是一个平均值。这就注释了为什么量子力学只做概率展望。虽然潜在的新理论可以再现量子力学的展望，但若是我们有这个理论，我们也可以分辨出在哪些情况下我们应该看到偏离量子力学的征象。

这个看法获得了这样一个事实的支持，即形貌波函数行为的履历性确定性的方程险些与物理学家用来形貌大量粒子而不是单个粒子行为的方程相同。

历史上，这种明白量子力学的方式被称为“隐变量理论（hidden variables theory）”，“隐变量”在这里是所有未知信息的聚集，若是我们有了它，量子丈量的效果将可以被准确展望。

物理学走在错误的道路上吗？

需要强调的是，带有隐藏变量的理论不是对量子力学的注释。它们是差别的理论，它们更准确地形貌了自然，而且确实可以解决丈量问题。

不用多说，我们并不是第一个指出量子力学就像一个求平均的理论的人。这可能是每个人在面临随机丈量效果时都市想到的。从量子力学早期最先，物理学家就最先思量隐变量。但厥后他们错误地以为这一选择是不能行的，这一错误在今天依然存在。

物理学家几十年前犯的错误是从1964年约翰·贝尔证实的数学定理中得出错误的结论。这个定理解释，在任何隐含变量允许我们展望丈量效果的理论中，丈量效果之间的相关性遵守一个界线。从那时起，无数的实验解释，这个界线是可以被打破的。由此可知，贝尔定理所适用的隐变量理论是被证伪的。物理学家得出的结论是量子理论是准确的，而隐变量理论不准确。

然则贝尔定理提出了一个假设，这个假设自己没有获得证据支持：隐变量（不管它们是什么）与检测器的设置无关。这种被称为“统计自力性”的假设是合理的，只要实验只涉及像药片、老鼠或癌细胞这样的大型物体。然而，量子粒子是否建立，没有人知道。

违反统计自力性的隐变量理论引出了超决定论。令人震惊的是，他们从未被清扫在外。他们甚至从未举行过实验测试，由于这需要一种差别于物理学家迄今所做的实验。为了磨练超决定论，人们必须寻找证据，证实量子物理并不像我们想象的那样随机。

超决定论的焦点头脑是，宇宙中的一切都与其他一切有关，由于自然法则克制某些粒子的构型。若是你有一个空旷的宇宙，把一个粒子放在其中，那么你就不能随便地把其他粒子放在其中。他们必须先遵守某些关系。

这种普遍的关联性稀奇意味着，若是你想丈量量子粒子的性子，那么这个粒子永远不会自力于丈量装备。这并不是由于装置和粒子之间发生了任何相互作用。两者之间的依赖性只是一种自然属性，然而，若是一个人只关注宏观装备，这种关联性就不会被注意到。若是是这样的话，量子丈量就有了明确的效果，因此在解决丈量问题的同时，会导致违反贝尔定界。

很难注释为什么物理学家花了半个世纪的时间来研究一个不一致的理论，却从来没有认真思量过统计自力性可能会失效。若是在量子实验中违反了统计自力性，那么对其详细结果的剖析就很少了。如上所述，任何解决丈量问题的理论都必须是非线性的，因此很可能会发生混沌动力学。小的转变发生大的效果的可能性是杂乱的标志之一，然则在关于隐变量的争论中却被完全忽略了。

低风险，高回报

鉴于量子力学的手艺相关性，逾越它将是一个重大的科学突破。但由于历史遗留问题，研究过或现在研究超决定论的研究人员要么被忽视，要么被冷笑。因此，这一想法关注的人仍然很少。

由于缺乏研究，我们至今还没有普遍适用的超决定论理论。我们确实有一些模子为明白违反贝尔不等式提供了基础，然则没有理论能像现有的量子力学理论那样天真。虽然超决定论做出的一些展望在很大程度上是与模子无关的，因此丈量效果的随机漫衍应该比量子力学中的少，但由于这些展望不是基于一个成熟的理论，因此很容易受到指斥。

实验主义者甚至不想测试这个想法。但我们不太可能有时发现超决定论的证据。普遍关联性并没有在基本粒子的条理上显现出来。因此，我们不以为用越来越大的粒子加速器探测越来越小的距离将有助于解决仍然悬而未决的基本问题。

今天的大多数物理学家被错误地教训丈量问题已经解决，或者错误地以为隐藏的变量已经被清扫，这对物理学的提高是无用的。

本文来自微信民众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Sabine Hossenfelder & Tim Palmer