第1章  愛因斯坦為何稱其為“幽靈”

第2章  造訪納根帕克：一個量子寓言

第3章  牛頓世界觀：普適的運動定律

第4章  經典物理學還剩下什麼

您好，量子力學

第5章  量子概念如何切入物理學

第6章  薛定諤方程：新的普適運動定

第7章  雙縫實驗：觀察者問題

第8章  難言之隱

第9章  全球經濟的三分之一

第10章  太棒了，神奇的哥本哈根

第11章  眾說紛纭的薛定諤貓

第12章  尋求真實世界EPR

第13章  幽靈作用——貝爾定理

第14章  實驗形而上學

第15章  如何持續——量子之謎的解釋

第16章  意識之謎

第17章  意識之謎遭遇量子之謎

第18章  意識和量子宇宙

名詞索引

譯後記

前言

量子力學獲得了驚人的成功，至今沒有一項理論預言是錯的。全球經濟的三分之一依賴於以此為基礎的產品。然而，量子力學還是顯得迷霧重重。它告訴我們，物理實在是由觀察產生的，並且這種“幽靈作用”能夠在兩個相距遙遠的事件之間瞬時傳遞——無須借助物理力。從人類的角度來看，量子力學使物理學遭遇到意識問題。


本書描述了一些無可爭議的實驗事實以及量子理論對它們的公認解釋。我們討論了現今各種各樣的解釋，以及每一種這類解釋如何遇到意識上的困境。幸運的是，量子之謎可以用非專業性語言進行深入探討。量子力學所呈現的神秘性，即物理學家所謂的“量子測量問題”，即使在簡單的量子實驗中也會即刻表現出來。


近年來，對量子力學的基礎和奧秘進行調查呈大幅上升之勢。量子現像在計算機工程、生物研究乃至宇宙學領域的表現變得更加明顯。本書第二版包括了在這方面理解和應用的進展。我們在大範圍課堂教學和小型研討會上均使用過本書內容，這使我們能夠改進我們的陳述。這些改進已在讀者、其他采用本書作教材的老師和評論員的評述中產生良好反響。我們打算在本書的網站www?quantumenigma?com上擴大和更新本書的內容。




第1章  愛因斯坦為何稱其為

“幽靈”我對量子問題的思考可以說和對廣義相對論的思考一樣多。——阿爾伯特?愛因斯坦



我無法真正相信（量子理論），因為……物理學表示的是一種時間和空間上的實在，容不得超距的幽靈行為。——阿爾伯特?愛因斯坦



20世紀50年代的一個周末，我在普林斯頓大學訪友時，朋友曾問他的女婿比爾?貝內特和我（布魯斯）是否願意和他的朋友阿爾伯特?愛因斯坦晚上小聚一下。這樣，我們兩個誠惶誠恐的物理繫研究生不久便來到愛因斯坦家的客廳，他穿著拖鞋和運動衫來到樓下。我因為緊張，隻記得茶點，卻忘了談話是如何開始的。


愛因斯坦很快就問起我們關於量子力學課的事情。他贊同我們的主講老師選用戴維?玻姆的書作教材，他問我們是否喜歡玻姆對量子理論所暗示的奇異性質的處理。我們無法回答，因為課上老師讓我們跳過教材的這一部分，將注意力集中在題為“量子理論的數學形式體繫”一節。愛因斯坦堅持與我們探討關於這一理論的真正含義等思想，但他所關注的問題是我們不熟悉的。我們的量子物理課程側重的是這一理論的運用而不是它的意義。愛因斯坦對我們對這個問題的反應感到失望，於是談話便隨之結束了。


量子之謎第1章愛因斯坦為何稱其為“幽靈”很多年以後我纔明白，愛因斯坦為什麼這麼關注量子理論的神秘影響。我不知道，早在1935年他便指出，這個理論需要以一地的觀察能夠在無須任何物理力的作用下瞬時影響到遙遠之處所發生的事情為前提。他將這種實際上並不存在的性質譏諷為“幽靈作用”。這令量子理論的推動者們倍感詫異。


愛因斯坦還為下述理論陳述所困擾：如果你觀察小的對像，譬如說某處的一個原子。結果卻造成因為你的觀察而使它跑到別處去了。這種效應對於大的物體是否適用呢？原則上，是的。作為嘲笑量子理論的例子，愛因斯坦曾半開玩笑地對一位物理學同行說，他是否相信月亮的存在隻有在看到它時纔算。根據愛因斯坦的理解，如果你認真對待量子理論，你就必須否認存在一個獨立於觀察的物理實在世界。這是一項非常嚴重的質疑，因為量子理論不隻是許多物理學理論中的一種，而更是整個物理學的基本框架。


本書著重於量子理論中那些困擾愛因斯坦的神秘推斷。這些推斷大致出現於從他1905年初建議的量子學說直到他去世後的半個世紀的時間裡。在與愛因斯坦交談的那個晚上之後，我幾乎沒有想過量子的古怪性質，即物理學家所稱的“測量問題”。作為研究生，我曾對“波粒二像性”問題感到疑惑。它是這樣一種疑難：如果你以這種方式來觀察，你可以證明原子是一個物質聚集於一處的致密客體；但如果你用另一種方式來觀察，你得到的結果完全是另一碼事兒。你能確信原子不是一個致密物體，而是在廣泛區域裡傳播的波。這一矛盾讓我困惑，但我以為，如果花上幾個小時來仔細思索，我能夠想得通，就像我的老師那樣。但作為一名研究生，我有更緊迫的事情要做。我的博士論文涉及大量的量子理論，但像大多數物理學家那樣，我很少關心這一理論的深層含義，更沒有意識到它遠遠超出了單純的“波粒二像性”範圍。


在做了十年的應用物理研究和科研管理之後，我轉任加州大學聖克魯斯分校（UCSC）教師。在為文科學生開設物理課的同時，量子力學的奧秘吸引了我。而在意大利舉行的為期一周的關於量子力學基礎的會議則又將我帶回到很久以前在普林斯頓那個毫無準備的與愛因斯坦交談的夜晚。


當我（弗雷德）在麻省理工學院大學三年級上量子力學課時，我在筆記本裡寫下了薛定諤方程，我看著這個主宰宇宙中一切的方程而感到非常激動。後來我變得疑惑：量子力學斷言，原子的自旋方向可以同時指向不止一個方向。我花了好些時間試圖弄懂它，但後還是放棄了。我猜想恐怕得學到更多的知識後纔能理解它。


因此在進行博士論文選題時，我選了磁繫統的量子分析作為攻讀方向。我在運用量子理論時變得輕率，沒有時間去思考那到底意味著什麼。我忙於發表論文，拿到學位。在幾個高科技公司干了一段時間後，我加入了加州大學聖克魯斯分校的物理繫。


我們兩個人開始探索物理學與思辨哲學的邊界，這使我們的物理學同事感到驚訝。我們以前的研究領域是相當傳統的，甚至實用（有關我們在工業和學術研究方面的更多背景和聯繫信息，見本書網站www.quantumenigma.com）。


物理學領域的難言之隱

量子力學獲得了驚人的成功，至今沒有一項理論預言是錯的。全球經濟的三分之一依賴於以此為基礎的產品。然而，我們對量子理論所要求的世界觀的陌生程度可能遠遠超乎我們的想像。讓我們來看看為什麼是這樣。


我們大多數人都有這樣一些常識性的直覺：一個對像不可能同時處在分開的兩地。顯然，一個人在這裡決定做什麼不可能立即影響到遠離此地的某個地方發生的事情。我們也不會認為“那裡”的真實世界與我們是否看到它有關繫。量子力學則挑戰這些直覺。若什（J.M.Jauch）告訴我們：“對於許多有思想的物理學家來說，（量子力學的深層含義）還是家丑那樣的難言之隱。”


我們從困擾愛因斯坦的量子理論開始敘述。什麼是量子理論呢？量子理論是一種在20世紀早期發展起來的、用於解釋原子行為機制的一種理論。在早期，人們發現，一個物體的能量可以按某個離散量的大小即量子來改變，因此描述這種行為的理論被稱為“量子力學”。“量子力學”既包括實驗觀察也包括量子理論對觀察結果的解釋。


量子理論是每一門自然科學——從化學到宇宙學——的基礎。我們需要量子理論來理解為什麼陽光普照，電視機是如何產生圖像的，為什麼草是綠的，以及宇宙是如何從大爆炸演化而來的。現代技術就是建立在基於量子理論所設計的器件之上的。


前量子理論物理學，或稱“經典力學”或“經典物理學”，有時也稱“牛頓物理學”，是一種用來描述比分子大得多的物體的絕好的近似理論，它對物體的處理通常要比量子理論簡單得多，但它隻是一種近似處理。對於由原子構成的一切事物，它無能為力。盡管如此，經典物理學卻是我們的傳統智慧——牛頓世界觀——的基礎，盡管我們現在知道這個古典的世界觀在根本上是有缺陷的。


自古以來，哲學家一直對物理實在的性質進行著深奧的猜測。在量子力學之前，人們拒絕這樣的理論性思考，而采取一種簡單的、常識性世界觀，具有邏輯上的必然性。今天，量子實驗否定了這種常識性的物理實在。它不再是一種合理的選擇。


量子力學建議的世界觀與科學之外的東西可能有關聯嗎？對此請考慮兩個確實有這類相關性的早期發現：否定了地球是宇宙中心的哥白尼理論和達爾文的進化論。在某種意義上，量子力學與外界的相關性要比哥白尼或達爾文的思想更直接，後者處理的是與遙遠之外或很早以前的聯繫，而量子理論研究的是這裡和現在，它甚至與我們人類的本質——我們的意識——相聯繫。


那麼，為什麼量子力學沒有像那些早期的思想那樣對人類產生知識上和社會性的影響呢？這也許是因為這些早期思想較容易理解，從而也更易為人們所相信的緣故。你可以用幾句話大致總結哥白尼或達爾文的影響。至少對現代人來說，這些理論都好理解。但如果你嘗試總結量子理論的影響，你所得到的結論聽上去則有一種神秘感。


不管怎樣，這裡我們試著粗略總結一下：量子理論告訴我們，對一物的觀察可以瞬間影響到遙遠距離之外的另一個物體的行為，即使二者間不存在任何連接。這些作用就是愛因斯坦所稱的“幽靈作用”，但現在它們已被證明是真實存在的。量子理論還告訴我們，一個物體可以同時出現在兩個地方。隻有在對其觀察後我們纔能發現它恰好在某個特定的地方。因此，量子理論否認存在一個獨立於觀察的物理實在世界。（我們將看到，“觀察”是一個棘手且有爭議的概念。）


奇怪的量子現像隻有在小物體上纔能得到直接驗證。經典物理學能夠在近似程度極高的水平上描述大物體的合理行為。但大物體是由小物體組成的。因此作為一種世界觀，經典物理學對於微觀世界是行不通的。


經典物理學可以相當好地解釋世界，它隻是不能處理“細節”。而量子物理學則能夠完美地處理“細節”，但它恰恰無法解釋世界。因此你可以看到為什麼愛因斯坦感到不安。


現代量子理論的創始人之一薛定諤曾通過他的著名的貓故事來強調量子理論所述東西的“荒謬性”。根據量子理論，這隻未觀測到的薛定諤貓既是死的也是活的，直到你對它的觀察使得它要麼死掉要麼活著，二者擇一。這裡有些東西更難接受：如果發現貓死了，那麼這個發現便產生出其尸僵發展的歷史；如果發現它活著，則這個發現觸發了其饑餓的歷史。時間上總是倒回去的。


量子理論所包含的謎團已經使物理學家為此奮鬥了八十年。這期間，盡管形成了特定的專業知識，培養了天纔的物理學家，但並不能保證目前的理解就非常可靠。因此，我們這些物理學家隻能以謙虛的方式來處理這個問題，盡管我們發現這很難。


值得注意的是，要講清楚什麼是量子之謎，基本上無須涉及太多的物理學背景。那是不是有可能某個在量子理論方面未經多年訓練的人就能提出新的見解？隻有小孩子纔會指出皇帝沒穿衣服。


爭議

我們這本書是在給文科學生講授量子力學的奧秘的基礎上整理而成的。量子力學部分是普通物理學課程後幾周要講的內容。當我（布魯斯）在繫教學會議上首次提出開設這門課程時，曾遭到一名教師的反對：




雖然你說的都是對的，但你想過沒有，向非科學家講述這些東西就好比讓孩子玩真槍。



這位持反對意見的老師，我的好朋友，有一個很好的理由：有些人，看到堅實的物理科學與意識心靈之謎相聯繫，便會變得對所有各種偽科學的謬論缺乏免疫。我的回答是，我們教的是“安全槍”：我們強調的是科學方法。開課申請得到了批準。弗雷德現在就教授這門課，它已成為我們繫受歡迎的課程。


這裡我們要明確指出，標題“遭遇意識”裡所談的意識，並不意味著“精神控制”，不是說你的想法可以直接控制物理世界。那是不是說我們所描述的量子實驗的無可爭議的結果意味著意識在物理世界扮演著一種神秘角色呢？這是一個在物理學科邊緣產生的激烈爭論的問題。


由於本書將注意力聚焦在這個邊界處，即量子之謎出現的地方，因此它必然是一本有爭議的書。但是，我們不是要說量子力學本身是有爭議的，而是說這些結果所蘊含的神秘性是否超出了物理學範疇這一點是有爭議的。對於許多物理學家來說，這種莫名其妙的怪事好不要談論。物理學家們（包括我們自己）會因為他們的學科遇到一些“非物理的”譬如意識問題而感到不舒服。雖然量子事實沒有異議，但對這些事實背後的意義，對量子力學要告訴我們的關於這個世界的東西，有激烈的爭辯。在物理繫講這些內容，尤其是在物理課上或對非專業聽眾講這些內容，會招致一些教師的不滿。（當然，並非隻有物理學家對物理現像討論中神秘出現的意識問題感到不適。它對我們所有人的世界觀構成挑戰。）


愛因斯坦的傳記作者說起過，在20世紀50年代，如果物理繫裡的非終身教職員對量子理論的奇異影響表現出任何興趣，那都將危及到職業生涯。但時代在改變。如今，對量子力學根本問題的探索——這不可避免地會涉及意識——已經增強並超越物理學延伸到心理學、哲學，甚至計算機工程等領域。


由於從實用的角度看，量子理論非常有效，因此一些物理學家否認這其中還有任何問題。這種拒絕態度使得在非物理學家對量子力學的理解方面聽任偽科學傳播者的擺布。電影《我們到底知道多少》即是令我們感到遺憾的偽科學的例子。（如果你對這部影片不熟悉，請讀我們在第15章的評論。）真正的量子之謎要比“哲學”對這些問題的處理更離奇，也更深刻。了解真正的量子之謎，需要多一點精神努力，但它是值得的。


在一個有幾百名物理學家（包括我們兩個人）參加的物理學會議上，報告後的討論期間爆發了爭論。（辯論的熱烈程度充滿整個禮堂，2005年12月的《紐約時報》對此曾有報道。）一位與會者認為，正因為它古怪，所以量子理論有問題。另一個人則極力否認量子力學有問題，指責前者沒抓住“要點”。第三個人插話說：“我們還太年輕。我們應該等待，到2200年時，量子力學在幼兒園都能教。”第四個人則概括說：“世界並不像我們認為的那般真實。”這其中前三位都是諾貝爾物理學獎的獲得者，第四位是一位很有競爭力的候選人。


這場爭論讓我們想起反映我們自己偏見的一個比喻。一對夫婦去民政部門就他們的婚姻尋求幫助。妻子說：“我們的婚姻有問題。”但她丈夫不同意，說：“我們的婚姻沒有問題。”婚姻調解員一聽就明白了誰是正確的。


量子理論的解釋

在愛因斯坦生命的後20年裡，他對量子理論的堅持不懈地挑戰往往很少再有人理會，因為他已與現代物理學脫節了。在否定他所發現的隱藏在量子理論中的“幽靈作用”的實在性方面，他確實錯了。這種作用現在叫“糾纏”，已被證明是確實存在的。然而，愛因斯坦仍被公認為當今理論界有先見之明的批評家。他不斷呼吁理論的奇異特性絕不能撇開不管，這一點已被今天對量子理論的生猛解釋的豐富性所證明。


在第15章中，我們介紹幾種有關量子力學要告訴我們的關於物理世界（包括我們自身）的爭鳴觀點和解釋。它們都是在廣泛的數學分析的基礎上發展而來的嚴肅建議。它們以不同的方式暗示了觀察創造物理實在，認為存在許多平行的世界，在每個世界裡有我們每個人，這是一個普遍連通的世界，未來影響著過去，一個超越物理實在的實在，甚至對自由意志形成挑戰。


在物理學不再保持共識的邊界處，量子理論的含義是有爭議的。有關由什麼來證明意識問題的大多數解釋，出於實用目的被忽略了。然而，在探索理論基礎方面，當今的大多數專家承認，量子力學的謎團之一通常就是遇到的意識問題。雖然我們對意識感觸深，但意識的本質仍是不明確的。物理學對此無法處理，但不能忽視。


諾貝爾物理學獎獲得者弗蘭克?維爾切克近評論道：



（有關量子理論意義的）相關文獻眾所周知是有爭議的和模糊的。我相信它仍將是這樣，直到有人在量子力學的形式框架下構建出一個“觀察者”，即一個模型實體，其狀態對應於自覺意識可辨認的漫畫……這是一項艱巨的工程，遠遠超出了傳統物理學所認可的範圍。




正如我們給出不爭的事實，強調這個謎團對我們構成的挑戰，這裡我們並不提供這個謎團的解決方案。我們隻是提供讀者自己琢磨的基礎。值得慶幸的是，這一有爭議的問題不需要具備多少物理學知識就可以理解。