第一推动丛书物理系列：量子之谜

 如果你想只读一本书了解量子力学，我会推荐你读《量子之谜》。这是物理学教授专为普通人写的量子力学的书，因此，它既有权威性而又通俗易懂。量子物理的每一个说明都牵扯到意识，因此，书中罗森布鲁姆和库特纳转而去探索意识本身及其与量子力学的遭遇，读者被带到物理学研究的前沿――在这个神奇的魔幻世界里，物理学家的专业特长已不再是*可靠的指导，读者自己就能发掘出量子力学所提供的事实和暗示，发展出联想和推断的能力。

《量子之谜》是《*推动丛书》物理系列其中之一，这是一本极好的量子力学的科普书，目前已有的量子力学的书难以望其项背。如果读《量子之谜》让你感到困惑，请记住玻尔的话：“如果不为量子力学感到困惑的人，那么你没有真正理解它。”

2018年新版的《*推动丛书》全新设计了版式、封面，提升了阅读体验，让读科普不再艰难。随书附赠价值39.6元由汪洁、吴京平掰开揉碎,带你懂科学好书的《经典科普解读课》6折券。 

量子力学获得了惊人的成功，至今没有一项理论预言是错的，然而量子力学还是显得迷雾重重。它告诉我们，物理实在是由观察产生的，并且这种“幽灵作用”能够在两个相距遥远的事件之间瞬时传递——无需借助物理力。从人类的角度来看，量子力学使物理学遭遇到意识问题。

本书描述了一些无可争议的实验事实以及量子理论对它们的公认解释，借助于风趣的故事和量子理论创立者们的趣闻轶事，用非专业术语浅显明了地阐述了现今各种各样的解释以及每一种这类解释如何遇到意识上的困境，同时介绍了近年来对量子力学的基础和奥秘的研究和应用的*进展。

简言之，这是一本由资深专家用平实的大众语言撰写的，融亲身经历和当今理论前沿、技术前沿为一体的不可多得的枕边书。

布鲁斯•罗森布鲁姆，美国加州大学圣克鲁斯分校物理系名誉教授，前系主任。

弗雷德•库特纳，美国加州大学圣克鲁斯分校物理系讲师。

目录：

第1章  爱因斯坦为何称其为“幽灵”

第2章  造访纳根帕克：一个量子寓言

第3章  牛顿世界观：普适的运动定律

第4章  经典物理学还剩下什么

您好，量子力学

第5章  量子概念如何切入物理学

第6章  薛定谔方程：新的普适运动定

第7章  双缝实验：观察者问题

第8章  难言之隐

第9章  全球经济的三分之一

第10章  太棒了，神奇的哥本哈根

第11章  众说纷纭的薛定谔猫

第12章  寻求真实世界EPR

第13章  幽灵作用——贝尔定理

第14章  实验形而上学

第15章  如何持续——量子之谜的解释

第16章  意识之谜

第17章  意识之谜遭遇量子之谜

第18章  意识和量子宇宙

名词索引

译后记

第1章            
爱因斯坦为何称其为“幽灵” 

我对量子问题的思考可以说和对广义相对论的思考一样多。——阿尔伯特·爱因斯坦

我无法真正相信（量子理论），因为……物理学表示的是一种时间和空间上的实在，容不得超距的幽灵行为。——阿尔伯特·爱因斯坦

20世纪50年代的一个周末，我在普林斯顿大学访友时，朋友曾问他的女婿比尔·贝内特和我（布鲁斯）是否愿意和他的朋友阿尔伯特·爱因斯坦晚上小聚一下。这样，我们两个诚惶诚恐的物理系研究生不久便来到爱因斯坦家的客厅，他穿着拖鞋和运动衫来到楼下。我因为紧张，只记得茶点，却忘了谈话是如何开始的。

爱因斯坦很快就问起我们关于量子力学课的事情。他赞同我们的主讲老师选用戴维·玻姆的书作教材，他问我们是否喜欢玻姆对量子理论所暗示的奇异性质的处理。我们无法回答，因为课上老师让我们跳过教材的这一部分，将注意力集中在题为“量子理论的数学形式体系”一节。爱因斯坦坚持与我们探讨关于这一理论的真正含义等思想，但他所关注的问题是我们不熟悉的。我们的量子物理课程侧重的是这一理论的运用而不是它的意义。爱因斯坦对我们对这个问题的反应感到失望，于是谈话便随之结束了。

爱因斯坦为何称其为“幽灵”很多年以后我才明白，爱因斯坦为什么这么关注量子理论的神秘影响。我不知道，早在1935年他便指出，这个理论需要以一地的观察能够在无须任何物理力的作用下瞬时影响到遥远之处所发生的事情为前提。他将这种实际上并不存在的性质讥讽为“幽灵作用”。这令量子理论的推动者们倍感诧异。

爱因斯坦还为下述理论陈述所困扰：如果你观察小的对象，譬如说某处的一个原子。结果却造成因为你的观察而使它跑到别处去了。这种效应对于大的物体是否适用呢？原则上，是的。作为嘲笑量子理论的例子，爱因斯坦曾半开玩笑地对一位物理学同行说，他是否相信月亮的存在只有在看到它时才算。根据爱因斯坦的理解，如果你认真对待量子理论，你就必须否认存在一个独立于观察的物理实在世界。这是一项非常严重的质疑，因为量子理论不只是许多物理学理论中的一种，而更是整个物理学的基本框架。

本书着重于量子理论中那些困扰爱因斯坦的神秘推断。这些推断大致出现于从他1905年初建议的量子学说直到他去世后的半个世纪的时间里。在与爱因斯坦交谈的那个晚上之后，我几乎没有想过量子的古怪性质，即物理学家所称的“测量问题”。作为研究生，我曾对“波粒二象性”问题感到疑惑。它是这样一种疑难：如果你以这种方式来观察，你可以证明原子是一个物质聚集于一处的致密客体；但如果你用另一种方式来观察，你得到的结果完全是另一码事儿。你能确信原子不是一个致密物体，而是在广泛区域里传播的波。这一矛盾让我困惑，但我以为，如果花上几个小时来仔细思索，我能够想得通，就像我的老师那样。但作为一名研究生，我有更紧迫的事情要做。我的博士论文涉及大量的量子理论，但像大多数物理学家那样，我很少关心这一理论的深层含义，更没有意识到它远远超出了单纯的“波粒二象性”范围。

在做了十年的应用物理研究和科研管理之后，我转任加州大学圣克鲁斯分校（UCSC）教师。在为文科学生开设物理课的同时，量子力学的奥秘吸引了我。而在意大利举行的为期一周的关于量子力学基础的会议则又将我带回到很久以前在普林斯顿那个毫无准备的与爱因斯坦交谈的夜晚。

当我（弗雷德）在麻省理工学院大学三年级上量子力学课时，我在笔记本里写下了薛定谔方程，我看着这个主宰宇宙中一切的方程而感到非常激动。后来我变得疑惑：量子力学断言，原子的自旋方向可以同时指向不止一个方向。我花了好些时间试图弄懂它，但后还是放弃了。我猜想恐怕得学到更多的知识后才能理解它。

因此在进行博士论文选题时，我选了磁系统的量子分析作为攻读方向。我在运用量子理论时变得轻率，没有时间去思考那到底意味着什么。我忙于发表论文，拿到学位。在几个高科技公司干了一段时间后，我加入了加州大学圣克鲁斯分校的物理系。

我们两个人开始探索物理学与思辨哲学的边界，这使我们的物理学同事感到惊讶。我们以前的研究领域是相当传统的，甚至实用（有关我们在工业和学术研究方面的更多背景和联系信息，见本书网站www.quantumenigma.com）。

物理学领域的难言之隐

量子力学获得了惊人的成功，至今没有一项理论预言是错的。全球经济的三分之一依赖于以此为基础的产品。然而，我们对量子理论所要求的世界观的陌生程度可能远远超乎我们的想象。让我们来看看为什么是这样。

我们大多数人都有这样一些常识性的直觉：一个对象不可能同时处在分开的两地。显然，一个人在这里决定做什么不可能立即影响到远离此地的某个地方发生的事情。我们也不会认为“那里”的真实世界与我们是否看到它有关系。量子力学则挑战这些直觉。若什（J.M.Jauch）告诉我们：“对于许多有思想的物理学家来说，（量子力学的深层含义）还是家丑那样的难言之隐。”

我们从困扰爱因斯坦的量子理论开始叙述。什么是量子理论呢？量子理论是一种在20世纪早期发展起来的、用于解释原子行为机制的一种理论。在早期，人们发现，一个物体的能量可以按某个离散量的大小即量子来改变，因此描述这种行为的理论被称为“量子力学”。“量子力学”既包括实验观察也包括量子理论对观察结果的解释。

量子理论是每一门自然科学——从化学到宇宙学——的基础。我们需要量子理论来理解为什么阳光普照，电视机是如何产生图像的，为什么草是绿的，以及宇宙是如何从大爆炸演化而来的。现代技术就是建立在基于量子理论所设计的器件之上的。

前量子理论物理学，或称“经典力学”或“经典物理学”，有时也称“牛顿物理学”，是一种用来描述比分子大得多的物体的绝好的近似理论，它对物体的处理通常要比量子理论简单得多，但它只是一种近似处理。对于由原子构成的一切事物，它无能为力。尽管如此，经典物理学却是我们的传统智慧——牛顿世界观——的基础，尽管我们现在知道这个古典的世界观在根本上是有缺陷的。

自古以来，哲学家一直对物理实在的性质进行着深奥的猜测。在量子力学之前，人们拒绝这样的理论性思考，而采取一种简单的、常识性世界观，具有逻辑上的必然性。今天，量子实验否定了这种常识性的物理实在。它不再是一种合理的选择。

量子力学建议的世界观与科学之外的东西可能有关联吗？对此请考虑两个确实有这类相关性的早期发现：否定了地球是宇宙中心的哥白尼理论和达尔文的进化论。在某种意义上，量子力学与外界的相关性要比哥白尼或达尔文的思想更直接，后者处理的是与遥远之外或很早以前的联系，而量子理论研究的是这里和现在，它甚至与我们人类的本质——我们的意识——相联系。

那么，为什么量子力学没有像那些早期的思想那样对人类产生知识上和社会性的影响呢？这也许是因为这些早期思想较容易理解，从而也更易为人们所相信的缘故。你可以用几句话大致总结哥白尼或达尔文的影响。至少对现代人来说，这些理论都好理解。但如果你尝试总结量子理论的影响，你所得到的结论听上去则有一种神秘感。

不管怎样，这里我们试着粗略总结一下：量子理论告诉我们，对一物的观察可以瞬间影响到遥远距离之外的另一个物体的行为，即使二者间不存在任何连接。这些作用就是爱因斯坦所称的“幽灵作用”，但现在它们已被证明是真实存在的。量子理论还告诉我们，一个物体可以同时出现在两个地方。只有在对其观察后我们才能发现它恰好在某个特定的地方。因此，量子理论否认存在一个独立于观察的物理实在世界。（我们将看到，“观察”是一个棘手且有争议的概念。）

奇怪的量子现象只有在小物体上才能得到直接验证。经典物理学能够在近似程度极高的水平上描述大物体的合理行为。但大物体是由小物体组成的。因此作为一种世界观，经典物理学对于微观世界是行不通的。

经典物理学可以相当好地解释世界，它只是不能处理“细节”。而量子物理学则能够完美地处理“细节”，但它恰恰无法解释世界。因此你可以看到为什么爱因斯坦感到不安。

现代量子理论的创始人之一薛定谔曾通过他的著名的猫故事来强调量子理论所述东西的“荒谬性”。根据量子理论，这只未观测到的薛定谔猫既是死的也是活的，直到你对它的观察使得它要么死掉要么活着，二者择一。这里有些东西更难接受：如果发现猫死了，那么这个发现便产生出其尸僵发展的历史；如果发现它活着，则这个发现触发了其饥饿的历史。时间上总是倒回去的。

量子理论所包含的谜团已经使物理学家为此奋斗了八十年。这期间，尽管形成了特定的专业知识，培养了天才的物理学家，但并不能保证目前的理解就非常可靠。因此，我们这些物理学家只能以谦虚的方式来处理这个问题，尽管我们发现这很难。

值得注意的是，要讲清楚什么是量子之谜，基本上无须涉及太多的物理学背景。那是不是有可能某个在量子理论方面未经多年训练的人就能提出新的见解？只有小孩子才会指出皇帝没穿衣服。

争议

我们这本书是在给文科学生讲授量子力学的奥秘的基础上整理而成的。量子力学部分是普通物理学课程后几周要讲的内容。当我（布鲁斯）在系教学会议上首次提出开设这门课程时，曾遭到一名教师的反对：

虽然你说的都是对的，但你想过没有，向非科学家讲述这些东西就好比让孩子玩真枪。

这位持反对意见的老师，我的好朋友，有一个很好的理由：有些人，看到坚实的物理科学与意识心灵之谜相联系，便会变得对所有各种伪科学的谬论缺乏免疫。我的回答是，我们教的是“安全枪”：我们强调的是科学方法。开课申请得到了批准。弗雷德现在就教授这门课，它已成为我们系受欢迎的课程。

这里我们要明确指出，标题“遭遇意识”里所谈的意识，并不意味着“精神控制”，不是说你的想法可以直接控制物理世界。那是不是说我们所描述的量子实验的无可争议的结果意味着意识在物理世界扮演着一种神秘角色呢？这是一个在物理学科边缘产生的激烈争论的问题。

由于本书将注意力聚焦在这个边界处，即量子之谜出现的地方，因此它必然是一本有争议的书。但是，我们不是要说量子力学本身是有争议的，而是说这些结果所蕴含的神秘性是否超出了物理学范畴这一点是有争议的。对于许多物理学家来说，这种莫名其妙的怪事好不要谈论。物理学家们（包括我们自己）会因为他们的学科遇到一些“非物理的”譬如意识问题而感到不舒服。虽然量子事实没有异议，但对这些事实背后的意义，对量子力学要告诉我们的关于这个世界的东西，有激烈的争辩。在物理系讲这些内容，尤其是在物理课上或对非专业听众讲这些内容，会招致一些教师的不满。（当然，并非只有物理学家对物理现象讨论中神秘出现的意识问题感到不适。它对我们所有人的世界观构成挑战。）

爱因斯坦的传记作者说起过，在20世纪50年代，如果物理系里的非终身教职员对量子理论的奇异影响表现出任何兴趣，那都将危及到职业生涯。但时代在改变。如今，对量子力学根本问题的探索——这不可避免地会涉及意识——已经增强并超越物理学延伸到心理学、哲学，甚至计算机工程等领域。

由于从实用的角度看，量子理论非常有效，因此一些物理学家否认这其中还有任何问题。这种拒绝态度使得在非物理学家对量子力学的理解方面听任伪科学传播者的摆布。电影《我们到底知道多少》即是令我们感到遗憾的伪科学的例子。（如果你对这部影片不熟悉，请读我们在第15章的评论。）真正的量子之谜要比“哲学”对这些问题的处理更离奇，也更深刻。了解真正的量子之谜，需要多一点精神努力，但它是值得的。

在一个有几百名物理学家（包括我们两个人）参加的物理学会议上，报告后的讨论期间爆发了争论。（辩论的热烈程度充满整个礼堂，2005年12月的《纽约时报》对此曾有报道。）一位与会者认为，正因为它古怪，所以量子理论有问题。另一个人则极力否认量子力学有问题，指责前者没抓住“要点”。第三个人插话说：“我们还太年轻。我们应该等待，到2200年时，量子力学在幼儿园都能教。”第四个人则概括说：“世界并不像我们认为的那般真实。”这其中前三位都是诺贝尔物理学奖的获得者，第四位是一位很有竞争力的候选人。

这场争论让我们想起反映我们自己偏见的一个比喻。一对夫妇去民政部门就他们的婚姻寻求帮助。妻子说：“我们的婚姻有问题。”但她丈夫不同意，说：“我们的婚姻没有问题。”婚姻调解员一听就明白了谁是正确的。

量子理论的解释

在爱因斯坦生命的后20年里，他对量子理论的坚持不懈地挑战往往很少再有人理会，因为他已与现代物理学脱节了。在否定他所发现的隐藏在量子理论中的“幽灵作用”的实在性方面，他确实错了。这种作用现在叫“纠缠”，已被证明是确实存在的。然而，爱因斯坦仍被公认为当今理论界有先见之明的批评家。他不断呼吁理论的奇异特性绝不能撇开不管，这一点已被今天对量子理论的生猛解释的丰富性所证明。

在第15章中，我们介绍几种有关量子力学要告诉我们的关于物理世界（包括我们自身）的争鸣观点和解释。它们都是在广泛的数学分析的基础上发展而来的严肃建议。它们以不同的方式暗示了观察创造物理实在，认为存在许多平行的世界，在每个世界里有我们每个人，这是一个普遍连通的世界，未来影响着过去，一个超越物理实在的实在，甚至对自由意志形成挑战。

在物理学不再保持共识的边界处，量子理论的含义是有争议的。有关由什么来证明意识问题的大多数解释，出于实用目的被忽略了。然而，在探索理论基础方面，当今的大多数专家承认，量子力学的谜团之一通常就是遇到的意识问题。虽然我们对意识感触深，但意识的本质仍是不明确的。物理学对此无法处理，但不能忽视。

诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克近评论道：

（有关量子理论意义的）相关文献众所周知是有争议的和模糊的。我相信它仍将是这样，直到有人在量子力学的形式框架下构建出一个“观察者”，即一个模型实体，其状态对应于自觉意识可辨认的漫画……这是一项艰巨的工程，远远超出了传统物理学所认可的范围。

正如我们给出不争的事实，强调这个谜团对我们构成的挑战，这里我们并不提供这个谜团的解决方案。我们只是提供读者自己琢磨的基础。值得庆幸的是，这一有争议的问题不需要具备多少物理学知识就可以理解。