为什么物理学家在一百年后仍然无法完全理解量子理论？

Sean Carroll2025年03月06日约 13 分钟

量子分形艺术家维克托·马津（Wiktor Mazin）使用量子计算机生成的分形图像｜图片来源：@wiktormazin_quantum_art

量子力学描绘了一个反直觉的现实：观察的行为会影响被观察的对象——⽽关于这种现象的本质解释，科学界⾄今仍未达成共识。

撰文 | 肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）

译者 | Muyu Mou

审校 | 江千月

论文题目：
Why even physicists still don’t understand quantum theory 100 years on
论文地址：
https://www.nature.com/articles/d41586-025-00296-9

每个人都有自己钟爱的小技巧，尽管他们未必真正理解其原理，但这些技巧总能可靠地完成某些任务。在过去，可能是当电视画面模糊时拍打电视机的顶部；如今，我们习惯于通过重启计算机解决问题。量子力学——现代物理学中最成功且最重要的理论——也是如此。它运作得非常出色，能够解释从激光、化学到希格斯玻色子以及物质稳定性等各种现象。但物理学家们并不知道其中的原因。或者至少，即使有些人认为自己知道原因，大多数人也不会同意。

量子理论的一个独特之处在于，我们描述物理系统的方式与观察它们时所看到的现象是不同的。因此，量子力学的教科书规则需要引入特殊的过程来描述“测量”或“观察”，这与之前所有的物理学框架都不同。作为⼀个领域，整个物理学界对此既缺乏共识性解释，亦未就其内涵达成统⼀认知。

自然界中量子行为的初步迹象出现在物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）1900年和阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）1905年的研究中。他们表明，光的某些特性可以通过将其视为离散的、类似粒子的“能量包”来解释，而不是经典电磁学所描述的平滑波。但他们的想法并未能描述一个完整的理论。直到1925年，德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）⾸次提出完备的量子力学形式体系。同年晚些时候，马克斯·玻恩（Max Born）和帕斯夸尔·约尔丹（Pascual Jordan）与海森堡合作完善理论，而埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）也很快独立提出了该理论的另一种表述^[1]。

因此，将2025年视为量子理论的真正百年纪念是合理的。尽管这样的纪念活动可以恰当地展示众多令人惊叹的实验成功，但它也必须留出空间来承认那些尚未解答的基础问题。量子力学是一座美丽的城堡，而如果能确认它并非建立在沙土之上，那将是一件令人欣慰的事。

与过去的决裂：从经典力学到量子力学

自艾萨克·牛顿（Isaac Newton）在17世纪提出经典力学以来，物理学理论一直遵循着一种明确的模式。你有一个被研究的系统：可能是一颗绕恒星运行的行星，一个电场，或一盒气体。在任何时刻，系统的状态都通过其“状态”来描述，这包括系统的当前配置及其变化率；对于一个无特征的单粒子来说，这相当于它的位置和速度（或等效地，动量）。给定其当前状态，然后通过运动方程（equations of motion）即可告诉我们系统将如何演化。这一基本方法适用于从万有引力到相对论的一切理论，而相对论与量子理论一样，都是20世纪初的产物。但随着量子力学的出现，这一模式突然失效了。

经典范式的失败可以追溯到一个单一而具有挑衅性的概念：测量。测量这一理念和实践的重要性自科学家诞生以来就得到了认可。但在前量子理论中，这一基本概念被视为理所当然。任何物理理论假设的实在量，都被默认为在特定情境下具有确定数值，研究者只需通过测量手段加以验证即可。如果你是⼀个粗⼼的实验者，实验操作或会产⽣显著误差，或在测量过程中干扰系统，但经典理论认为这些均属技术局限，并非物理规律的本质特征。通过更加努力，你可以尽可能精细和精确地测量事物，至少在物理学定律允许的范围内。

激光实验探索了量子纠缠的现实，这一概念与我们对物理学运作方式的直觉理解格格不入｜图片来源：帕斯卡尔·戈特格鲁克（Pascal Goetgheluck）/SPL

量子力学讲述了一个截然不同的故事。在经典物理学中，像电子这样的粒子在任何给定时刻都具有真实的、客观的位置和动量，而在量子力学中，这些量在测量之前通常并不以任何客观方式“存在”。位置和动量是可以被观察到的，但它们并不是预先存在的事实。这是一个相当大的区别。这种情况最⽣动的体现是海森堡在1927年提出的不确定性原理，它指出：电⼦不可能处于某个使我们能够同时精确预知其位置与动量的量子态^[2]。

量子理论转而采用波函数（wave function）来描述系统的状态，这一概念由薛定谔在1926年引入^[3]，并伴随着以他命名的方程，描述了系统如何随时间变化。对于单电子来说，波函数是一个分配给每一个可能观察到电子位置的值——换句话说，它可能主要局限在原子核附近，也可能广泛分布在空间中。

棘手之处在于波函数与可观察量（如位置和动量）之间的关系。玻恩在薛定谔的原始论文发表后不久给出答案^[4]。根据玻恩的解释，我们永远无法精确预测量子测量的结果。相反，我们可以通过计算波函数在该位置的平方来确定电子位置的任何特定结果的概率。这一方法彻底颠覆了自牛顿时代以来一直占据主导地位的确定性、机械宇宙的理想。

量子纠缠：尚未逾越的鸿沟

回顾过去，令人印象深刻的是，一些物理学家能够如此迅速地接受这一转变。当然，并非所有人都如此。爱因斯坦和薛定谔等杰出人物对新的量子共识并不满意。这并不是因为他们不理解它，而是他们认为新规则必须是一个更全面理论的垫脚石。

不确定性现象的出现常常被描绘为他们反对量子理论的主要理由——用爱因斯坦那句令人难忘的话来说，“上帝不会掷骰子”。但真正的担忧更深层次。爱因斯坦尤其关心局域性，即世界由存在于时空特定位置的事物组成，直接与附近事物相互作用。他还关心实在论，即物理学中的概念映射到世界真正存在的特征，而不仅仅是计算上的便利。

爱因斯坦最尖锐的批评出现在1935年著名的EPR论文中（EPR是以他和他的合著者鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen）的名字命名），标题为“量子力学对物理实在的描述是否完备？”^[5]。作者们基于他们强调的一个关键量子现象——后来被称为纠缠——对这个问题给出了否定的回答。

如果我们有一个单粒子，波函数会为它可能具有的每一个位置分配一个数字。根据波恩规则（born rule），观察到该位置的概率是该数字的平方。但双粒子系统并非由两个独立波函数描述，量子力学要求为两粒子所有可能的联合构型赋予单⼀数值。随着我们考虑越来越大的系统，它们继续由一个单一的波函数描述，直到整个宇宙的波函数。

因此，观察到一个粒子在某处的概率可能取决于我们观察到另一个粒子在何处，而且无论它们相距多远，这一点都成立。EPR分析表明，即使将两个纠缠粒子分别置于地球与数光年外的行星上，我们对远处粒子的测量预测可能会“立即”受到我们对附近粒子测量的影响。

对“立即”加引号是在提醒我们，根据狭义相对论，即使是“同时”这一概念对于空间中相距遥远的点也没有明确的定义，这一点爱因斯坦比任何人都更清楚。纠缠似乎违背了狭义相对论的原则，暗示信息传播速度超过光速——否则远处的粒子如何“知道”我们刚刚进行了测量？

我们实际上无法利用纠缠来进行远距离通信。在这里测量我们的量子粒子，我们现在知道了一些关于远处将观察到的信息，但任何真正在远处的人无法获得我们所拥有的知识，因此并没有发生通信。但至少在量子理论描述世界的方式与我们认为的爱因斯坦相对论中的时空运作方式之间存在某种张力。

重拾现实：从认识论到本体论的一些探索

解决这一张力的尝试层出不穷，但尚未达成明确的共识。事实上，围绕我们能想到的最核心问题，仍然存在重大分歧：量子波函数是否应该代表现实，还是它只是我们用来计算实验结果的概率的工具？这一问题从根本上分裂了爱因斯坦和丹麦物理学家玻尔（Niels Bohr），他们在几十年来关于量子力学意义的著名辩论中针锋相对。爱因斯坦和薛定谔一样，是一个彻底的实在论者：他希望他的理论描述一些我们可能认为是物理现实的东西。玻尔与海森堡则愿意放弃任何关于“真正发生了什么”的讨论，转而专注于对测量时会发生的事情进行预测。

后一种观点催生了量子理论的认识论诠释（‘epistemic’ interpretations）。玻尔和海森堡的观点被称为哥本哈根诠释，它与今天物理学家在教科书中教授的内容非常接近。现代版本包括量子贝叶斯主义（QBism）^[6]和关系量子力学^[7]。这两种解释都强调量子状态不应被视为独立存在，而应仅相对于观察者、测量过程以及该过程中知识状态的变化来考虑。

认识论方法的一个优点是，关于超光速影响的担忧消失了。当观察者进行测量时，他们更新了自己的知识；没有任何物理上的东西从一个纠缠粒子传递到另一个粒子。缺点是这些方法完全回避了现实究竟是什么的问题，而这（或应该）对物理学很重要。鉴于波函数在某些情况下确实表现得像一种物理实体，这一点尤其成问题。例如，波函数可以自我干涉，正如双缝实验所展示的那样。一个通过两个窄缝的波函数在另一侧重新组合时，会根据波的振荡产生相长或相消干涉。这听起来确实像一种真实物理实体的行为。

由左到右：诺奖得主尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）、詹姆斯·弗兰克（James Franck）、阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）、伊西多·拉比（Isidor Rabi）合影｜图片来源：Everett Collection Historical/Alamy

另一种方法是本体论方法，接受量子状态代表现实（至少部分）。问题在于，我们从未“看到”波函数本身；我们只使用它来对我们所看到的东西进行预测。我们可以将波函数视为许多可能测量结果的叠加。但一旦我们进行了测量并记录了一个结果，就很难不认为这个结果是真实的，而不是之前抽象的叠加可能性。

有许多量子力学的本体论模型试图调和波函数的中心地位与其与观察之间的棘手关系。

a. 在由戴维·玻姆（David Bohm）在20世纪50年代初全面发展的导波或隐变量模型中，波函数是真实的，但还有额外的自由度代表粒子的实际位置，而后者才是被观察到的^{[8, 9]}。

b. 在由休·埃弗雷特（Hugh Everett）稍后提出的多世界诠释中，观察者与他们测量的系统纠缠在⼀起，每⼀个允许的结果都在波函数的不同分⽀中实现，这些分支被解释为平行世界^[10]。

c. 在各种形式的客观坍缩模型中^{[11, 12]}，波函数偶尔会自我调整（违反传统的薛定谔方程），以看起来像我们观察到的半经典现实。

尽管这些方法通常被视为量子力学的竞争性解释，但这是一种误解，因为它们是不同的物理理论。客观坍缩模型具有各种明确的实验后果；最引人注目的是，当波函数客观坍缩时，违反了能量守恒原则，这可能在超冷原子系统中被观察到。测试正在进行中，但尚未发现这些效应的证据。据我们所知，没有任何实验可以区分导波方法和埃弗雷特方法。（每种方法的支持者往往认为另一种方法根本就是定义不清的。）

因此，物理学家们对于测量究竟是什么、波函数是否代表物理现实、是否存在除波函数之外的物理变量，或者波函数是否始终遵守薛定谔方程等问题尚未达成一致。尽管如此，现代量子力学已经为我们提供了一些科学中最精确的预测，理论与实验吻合度可达小数点后许多位。

相对论量子场论是现代粒子物理学的基础，必须被视为量子力学最伟大的成功之一。该理论以充满全空间的量子场为出发点，兼容粒子产生湮灭现象与相对论对称性。量子理论的规则意味着，这些场中的微小振动自然看起来像是单个粒子的集合。这些振动间的迭代作用产生了从夸克禁闭（quark confinement）到希格斯玻色子（higgs boson）存在等大量被实验完美证实的现象。这种粒子源于弥漫在所有空间的希格斯场（higgs field）中的振动，它赋予其他粒子质量，并解释了为什么弱核力的作用范围如此之短。根据宇宙膨胀理论，恒星和星系的起源甚至可以追溯到早期宇宙密度的微小量子变化。

未竟之地：量子场论与时空弯曲

尽管取得了所有这些成功，量子场论也有自己的谜题。众所周知，对两个粒子散射概率的量子修正的简单计算通常会导致无限大的答案——这并不是你希望概率具有的特征。现代物理学通过使用“有效场论”来处理这一问题，这些理论试图仅描述在（相对）低能量和动量下的过程，而其中完全不存在这些麻烦的无限性。

但这一框架仍然给我们留下了“自然性”问题。在有效场论方法中，我们在低能量下观察到的参数代表了在极高能量下不可观察过程的综合效应。这种理解使我们能够预测诸如希格斯质量或真空能量密度等参数的自然值。但这些参数的观测值远低于预期——这一问题仍在等待令人信服的解决方案。

然后，还有最大的问题：构建一个基本的量子引力理论和弯曲时空的困难。该领域的大多数研究人员认为，量子力学本身不需要任何修改；我们只需要弄清楚如何以一种一致的方式将弯曲时空融入故事中。但我们似乎离这一目标还很遥远。

与此同时，量子理论的无数表现形式继续在越来越多的相对接地气的技术中找到应用。量子化学正在为先进药物、奇异材料和能量储存的设计开辟新途径。量子计量学和传感技术正在实现对物理量的前所未有的精确测量，甚至包括检测由十亿光年外的黑洞产生的引力波引起的微小摆动。当然，量子计算机有望以经典原理无法实现的速度执行某些计算。

所有这一切都是在量子力学基础解释尚未达成共识的情况下发生的。历史经验表明，技术进步往往倒逼基础理论的改进。我们不断发明新的方法来敲打名为现实的电视机，仍然乐观地认为模糊的画面最终会变得清晰。

参考文献

[1] Camilleri, K. Nature 637, 269–271 (2025).

[2] Heisenberg, W. Z. Phys. 43, 172–198 (1927).

[3] Schrödinger, E. Ann. Phys. 384, 361–376 (1926).

[4] Born, M. Z. Phys. 37, 863–867 (1926).

[5] Einstein, A., Podolsky, B. & Rosen, N. Phys. Rev. 47, 777–780 (1935).

[6] Mermin, N. D. Nature 507, 421–423 (2014).

[7] Rovelli, C. Preprint at arXiv https://doi.org/10.1007/BF02302261 (1996).

[8] Bohm, D. Phys. Rev. 85, 166–179 (1952).

[9] Bohm, D. Phys. Rev. 85, 180–193 (1952).

[10] Everett, H. III. Rev. Mod. Phys. 29, 454–462 (1957).

[11] Ghirardi, G. C., Rimini, A. & Weber, T. Phys. Rev. D 34, 470–491 (1986).

[12] Penrose, R. Gen. Relat. Grav. 28, 581–600 (1996).

本文经授权转载自微信公众号“集智俱乐部”。

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