深度長文：詭異的量子世界，觀測為何會導(dǎo)致波函數(shù)坍縮？

當(dāng)我們談?wù)摿孔恿W(xué)時，腦海中往往會浮現(xiàn)出“薛定諤的貓”“量子糾纏”“波粒二象性”這些看似玄乎又充滿吸引力的詞匯。

很多人覺得量子力學(xué)是一門高深莫測、只存在于實(shí)驗(yàn)室和理論公式中的學(xué)科，仿佛與我們的日常生活毫無關(guān)聯(lián)。

但事實(shí)上，量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的基石，從手機(jī)芯片、激光技術(shù)到核磁共振、量子通信，它早已滲透到我們生活的方方面面，重塑了我們對世界的認(rèn)知邊界。

很多人學(xué)習(xí)量子力學(xué)時，會被密密麻麻的公式和抽象的概念嚇退，但其實(shí)量子力學(xué)的核心邏輯非常簡潔——這就是“裸量子力學(xué)”想要傳遞的本質(zhì)。

所謂“裸量子力學(xué)”，并不是某一種新的量子理論，而是對量子力學(xué)形式理論最簡潔、最本質(zhì)的概括，它剝離了所有復(fù)雜的詮釋和延伸，只保留了最核心的內(nèi)容：量子力學(xué)只負(fù)責(zé)描述兩件事，一是系統(tǒng)的量子態(tài)如何演化，二是對處于確定量子態(tài)的系統(tǒng)進(jìn)行觀察時，會得到什么樣的結(jié)果。

簡單來說，裸量子力學(xué)就像一本“量子操作手冊”，它不解釋“為什么會這樣”，只告訴我們“會怎樣”和“如何計算”。就像我們使用手機(jī)時，不需要知道手機(jī)內(nèi)部的芯片如何工作，只需要知道按下哪個按鈕會得到什么結(jié)果一樣，裸量子力學(xué)也只關(guān)注“演化”和“觀察”這兩個核心操作，以及它們對應(yīng)的結(jié)果。

對應(yīng)著這兩件事，裸量子力學(xué)中誕生了兩個最基礎(chǔ)、最核心的概念，它們就像是量子世界的“兩大基石”，支撐起了整個量子力學(xué)的理論框架——一個是“量子態(tài)”（quantum state），另一個是“可觀測量”（observables）。

這兩個概念看似抽象，但只要我們用通俗的類比，就能輕松理解。

在經(jīng)典物理學(xué)中，我們描述一個宏觀物體的運(yùn)動狀態(tài)，非常簡單。

比如一輛行駛在公路上的汽車，我們可以用“位置”和“動量”這兩個物理量，準(zhǔn)確地描述它在某一時刻的狀態(tài)——比如“汽車在距離原點(diǎn)100米的位置，以50公里/小時的速度向前行駛”。

只要知道了這兩個量，我們就能精準(zhǔn)地預(yù)測汽車未來的運(yùn)動軌跡，這就是經(jīng)典物理學(xué)的“決定論”。

但微觀世界的規(guī)則完全不同。微觀粒子（比如電子、光子、質(zhì)子）的運(yùn)動狀態(tài)，無法用“確定的位置”和“確定的動量”來描述——這并不是因?yàn)槲覀兊臏y量儀器不夠精確，而是微觀粒子本身就不具備確定的位置和動量，這是量子世界的基本特性，也是量子力學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)最本質(zhì)的區(qū)別之一。

在量子力學(xué)的基本公設(shè)中，微觀系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)可以被“完備地”用量子態(tài)來描述。

這里的“完備”，意味著量子態(tài)包含了這個微觀系統(tǒng)的所有信息——只要我們知道了量子態(tài)，就等于知道了這個微觀粒子的一切；反之，這個微觀粒子的所有信息組合起來，就構(gòu)成了它的量子態(tài)。

那么，量子態(tài)到底是什么樣子的？

在數(shù)學(xué)上，量子態(tài)被定義為“希爾伯特空間中的一個矢量”，我們稱之為“態(tài)矢量”。

可能有人會問，希爾伯特空間又是什么？

其實(shí)我們不需要深入理解希爾伯特空間的數(shù)學(xué)定義，只需要把它想象成一個“無限維度的矢量空間”——就像我們在三維空間中可以用x、y、z三個坐標(biāo)軸來描述一個點(diǎn)的位置一樣，在希爾伯特空間中，我們可以用無數(shù)個“坐標(biāo)軸”來描述一個量子態(tài)的位置。

而我們最熟悉的量子態(tài)的表達(dá)方式，就是“波函數(shù)”。

很多人都聽說過“波粒二象性”——微觀粒子既具有粒子的特性，又具有波的特性，而波函數(shù)就是用來描述微觀粒子“波動性”的數(shù)學(xué)工具。

在量子力學(xué)中，一個波函數(shù)就可以完全定義一個微觀粒子的全部運(yùn)動狀態(tài)：它的波包形狀、傳播速度、振幅大小、頻率和波長，都包含在波函數(shù)之中。

舉一個通俗的例子：如果把微觀粒子比作一個“神秘的精靈”，那么量子態(tài)（波函數(shù)）就是這個精靈的“身份名片”，上面記錄了它的所有信息——它可能出現(xiàn)在哪里、以什么樣的方式運(yùn)動、具有什么樣的能量。我們雖然無法直接看到這個“精靈”的樣子，但通過波函數(shù)，我們就能了解它的一切。

如果說量子態(tài)是微觀粒子的“身份名片”，記錄了它的所有信息，那么可觀測量就是我們“讀取”這張名片的方式——它是我們在觀察微觀系統(tǒng)時，能夠?qū)嶋H測量到的物理量。

從實(shí)證意義上來說，我們研究量子力學(xué)，最終目的是為了“觀察”和“預(yù)測”微觀世界的現(xiàn)象，因此可觀測量才是我們最關(guān)心的內(nèi)容。

這些可觀測量，其實(shí)和我們在經(jīng)典世界中熟悉的物理量并沒有本質(zhì)區(qū)別，比如位置、動量、角動量、能量、自旋等等——只不過在經(jīng)典世界中，這些物理量是確定的，而在量子世界中，這些物理量的取值是“不確定的”，只有在我們觀察的瞬間，才能得到一個確定的結(jié)果。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是：量子態(tài)包含了一切可觀測量的信息。

也就是說，只要我們知道了微觀粒子的量子態(tài)，就可以預(yù)測出對它進(jìn)行觀察時，可能得到的所有可觀測量的結(jié)果，以及每個結(jié)果出現(xiàn)的概率。

但反過來，我們無法通過單一的可觀測量結(jié)果，反推出微觀粒子的量子態(tài)——因?yàn)橐粋€可觀測量結(jié)果，可能對應(yīng)著多個不同的量子態(tài)。

舉個例子：我們觀察一個電子的自旋（一種可觀測量），可能得到“上旋”或“下旋”兩種結(jié)果。但這兩種結(jié)果，可能來自于多個不同的量子態(tài)——比如電子的量子態(tài)可能是“純上旋”，也可能是“上旋和下旋的疊加態(tài)”，還可能是“上旋、下旋與其他自旋狀態(tài)的疊加態(tài)”。

因此，可觀測量是我們“看到”的量子世界的表象，而量子態(tài)才是量子世界的本質(zhì)。

裸量子力學(xué)的核心是“演化”和“觀察”，而量子力學(xué)的形式理論，就是圍繞著兩個核心問題展開的，這兩個問題也是所有量子力學(xué)研究的出發(fā)點(diǎn)：

第一個問題：給定初始狀態(tài)，我們?nèi)绾晤A(yù)言未來某一時刻的系統(tǒng)量子態(tài)？——這就是“演化問題”。

第二個問題：已知一個系統(tǒng)的量子態(tài)，我們對其進(jìn)行一個特定的觀察，會得到何種可能的觀測結(jié)果，以及獲得這種結(jié)果的概率是多少？——這就是“觀察問題”。

這兩個問題看似簡單，卻貫穿了量子力學(xué)的整個發(fā)展歷程。為了回答這兩個問題，量子力學(xué)提出了三個基本公設(shè)，這三個公設(shè)就像是量子力學(xué)的“三大定律”，定義了量子世界的基本規(guī)則。

其中，前兩個公設(shè)分別對應(yīng)著“演化問題”和“觀察問題”，而第三個公設(shè)，則把這兩個問題糾纏在了一起，引發(fā)了近百年的爭論——它就是大名鼎鼎的“波函數(shù)坍縮”。

接下來，我們就逐一拆解這三個公設(shè)，看看它們到底揭示了量子世界的哪些規(guī)則，以及為什么第三個公設(shè)會成為爭議的焦點(diǎn)。

第一個公設(shè)是“薛定諤方程”，它是量子力學(xué)中最基礎(chǔ)、最重要的方程，其地位就相當(dāng)于經(jīng)典動力學(xué)中的“牛頓第二定律”——牛頓第二定律描述了宏觀物體在力的作用下如何運(yùn)動，而薛定諤方程則描述了微觀系統(tǒng)的量子態(tài)如何隨時間演化。

我們可以這樣理解：如果把量子態(tài)（波函數(shù)）比作一片“波動的海洋”，那么薛定諤方程就像是這片海洋的“運(yùn)動規(guī)律”，它告訴我們，這片海洋的波包會如何傳播、形狀會如何變化、振幅會如何增減、頻率和波長會如何改變。

只要我們知道了初始時刻的波函數(shù)（初始量子態(tài)），通過薛定諤方程，我們就能精準(zhǔn)地計算出未來任意時刻的波函數(shù)（未來量子態(tài)）。

這里有一個非常重要的特點(diǎn)：由薛定諤方程描述的量子態(tài)演化，是“確定的、連續(xù)的、幺正的”。

所謂“確定的”，就是指演化過程是完全可預(yù)測的——只要初始狀態(tài)確定，未來的狀態(tài)就唯一確定，這和經(jīng)典物理學(xué)的決定論是一致的；

所謂“連續(xù)的”，就是指量子態(tài)的演化不會出現(xiàn)“突然的跳躍”，而是平滑地、連續(xù)地變化；

所謂“幺正的”，是一個數(shù)學(xué)概念，簡單來說，就是量子態(tài)的演化過程中，其“總概率”保持不變——就像一片海洋，無論波如何傳播、形狀如何變化，海水的總量始終是不變的。

薛定諤方程的提出，為量子力學(xué)的發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

在薛定諤方程出現(xiàn)之前，量子力學(xué)的理論是零散的、不系統(tǒng)的，而薛定諤方程的出現(xiàn)，將量子力學(xué)的各個部分整合起來，形成了一套完整的形式理論。無論是電子的運(yùn)動、光子的傳播，還是原子的能級躍遷，都可以通過薛定諤方程來描述和預(yù)測。

值得一提的是，薛定諤方程雖然重要，但它本身并不能解釋“觀察”的過程——它只能描述量子態(tài)在“無人觀察”時的演化規(guī)律。當(dāng)我們對量子系統(tǒng)進(jìn)行觀察時，薛定諤方程就“失效”了，這時候，就需要第二個公設(shè)——波恩規(guī)則。

第二個公設(shè)是“波恩規(guī)則”，它是量子力學(xué)中描述“觀察過程”的核心規(guī)則，由德國物理學(xué)家馬克斯·波恩提出，也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

波恩規(guī)則的核心作用，就是告訴我們：當(dāng)我們對一個處于確定量子態(tài)的系統(tǒng)進(jìn)行觀察時，可能得到哪些觀測結(jié)果，以及每個結(jié)果出現(xiàn)的概率是多少。

首先，我們需要明確一個概念：當(dāng)我們觀察一個量子系統(tǒng)時，我們看到的不是波函數(shù)本身，而是某個“可觀測量”的具體數(shù)值——比如電子的位置、動量、自旋方向等等。而每一個可觀測量，都對應(yīng)著一系列的“本征態(tài)”和“本征值”。

什么是本征態(tài)和本征值？

簡單來說，本征態(tài)就是“能夠產(chǎn)生確定觀察結(jié)果的量子態(tài)”，而本征值就是這個確定的觀察結(jié)果。比如，電子的自旋有“上旋”和“下旋”兩種本征態(tài)，對應(yīng)的本征值就是“上旋”和“下旋”；電子的位置有無數(shù)個本征態(tài)，每個本征態(tài)對應(yīng)著一個確定的位置坐標(biāo)，也就是位置的本征值。

波恩規(guī)則告訴我們：觀察的結(jié)果，只能是這個可觀測量的本征值之一——也就是說，我們永遠(yuǎn)不可能觀察到“非本征值”的結(jié)果。比如，我們觀察電子的自旋，只能得到“上旋”或“下旋”，不可能得到“既上旋又下旋”的結(jié)果；我們觀察電子的位置，只能得到一個確定的坐標(biāo)，不可能得到“既在A點(diǎn)又在B點(diǎn)”的結(jié)果。

更重要的是，這些本征值往往是“離散的”——這就是“量子”這個詞的最初由來。

“量子”的意思就是“不連續(xù)的、離散的”，比如電子的能量只能取某些特定的離散值，而不能取任意值；電子的自旋也只能取“上旋”或“下旋”這兩個離散值，而不能取中間的某個狀態(tài)。當(dāng)然，這并不是絕對的——有些可觀測量的本征值也可以是連續(xù)的，比如電子的位置，但“離散性”仍然是量子世界最顯著的特征之一。

那么，具體會得到哪個本征值呢？

這就由量子態(tài)與該本征值對應(yīng)的本征態(tài)之間的“重疊程度”決定。我們可以用一個通俗的比喻來理解：每個本征態(tài)都是希爾伯特空間中的一個“矢量”（就像一個箭頭），而量子態(tài)也是這個空間中的一個箭頭。

這兩個箭頭之間的“夾角”，就決定了觀察到這個本征值的概率。

如果量子態(tài)的箭頭與某個本征態(tài)的箭頭“完全重合”（夾角為0°），那么我們就有100%的概率觀察到這個本征態(tài)對應(yīng)的本征值；如果兩個箭頭的夾角為30°，那么觀察到這個本征值的概率就是cos230°=75%；如果夾角為90°（兩個箭頭垂直，完全不重疊），那么觀察到這個本征值的概率就是0%。這就是波恩規(guī)則的核心內(nèi)容——觀察結(jié)果的概率，由量子態(tài)與本征態(tài)的“重疊程度”決定。

波恩規(guī)則的提出，解決了量子力學(xué)中的“觀察概率”問題，使得量子力學(xué)能夠?qū)τ^察結(jié)果進(jìn)行定量預(yù)測。但它也帶來了一個新的問題：為什么觀察結(jié)果是“概率性”的？在經(jīng)典物理學(xué)中，觀察結(jié)果是確定的，而在量子力學(xué)中，觀察結(jié)果卻是不確定的，只能用概率來描述——這與我們的日常經(jīng)驗(yàn)完全不符，也讓很多物理學(xué)家難以接受，其中就包括愛因斯坦，他曾說過一句著名的話：“上帝不會擲骰子”，以此來表達(dá)對量子力學(xué)概率性的質(zhì)疑。

第三個公設(shè)是“投影公設(shè)”，它還有一個更響亮、更令人困惑的名字——“波函數(shù)坍縮”。

這個公設(shè)的核心，就是把“演化問題”和“觀察問題”糾纏在了一起，它告訴我們：當(dāng)我們對量子系統(tǒng)進(jìn)行觀察時，系統(tǒng)的量子態(tài)會發(fā)生“突然的、隨機(jī)的突變”，從原來的量子態(tài)（可能是疊加態(tài)）突變?yōu)槲覀冇^察到的那個本征值對應(yīng)的本征態(tài)。

首先需要澄清一個常見的誤解：波函數(shù)坍縮這個概念，并不是由玻爾、海森堡等哥本哈根學(xué)派的學(xué)者提出的，而是由著名數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家馮·諾依曼提出的。

馮·諾依曼在研究量子力學(xué)的形式理論時，發(fā)現(xiàn)了一個關(guān)鍵問題：薛定諤方程描述的量子態(tài)演化是連續(xù)的、確定的，而觀察過程得到的結(jié)果卻是離散的、隨機(jī)的——這兩者之間存在著巨大的矛盾，為了解決這個矛盾，他提出了“波函數(shù)坍縮”的概念。

波函數(shù)坍縮的奇怪之處，就在于它打破了薛定諤方程的演化規(guī)則，形成了兩種完全不同的量子態(tài)演化模式——馮·諾依曼將這兩種模式命名為“U過程”和“R過程”：

第一種模式是“U過程”：當(dāng)我們不觀察量子系統(tǒng)時，量子態(tài)按照薛定諤方程演化，是連續(xù)的、確定的、幺正的——這是量子態(tài)的“自然演化”。

第二種模式是“R過程”：當(dāng)我們觀察量子系統(tǒng)的瞬間，量子態(tài)會發(fā)生“坍縮”，從原來的狀態(tài)（可能是多個本征態(tài)的疊加態(tài)）突然突變到某個本征態(tài)，這個過程是不連續(xù)的、隨機(jī)的，而且不滿足薛定諤方程——這是量子態(tài)的“觀察演化”。

簡單來說，就是“不看它，它就按照薛定諤方程平滑演化；一看它，它就突然‘定格’在某個確定的狀態(tài)”。這個過程就像一個正在旋轉(zhuǎn)的陀螺，當(dāng)我們不看它時，它會持續(xù)旋轉(zhuǎn)（連續(xù)演化）；當(dāng)我們一看它，它就突然停下來，定格在某個確定的位置（坍縮）。

波函數(shù)坍縮包含兩層核心含義，這也是它引發(fā)爭議的關(guān)鍵：

第一層含義：波函數(shù)坍縮是“與觀察相關(guān)的”，它不獨(dú)立于觀察者。

也就是說，量子態(tài)的坍縮并不是量子系統(tǒng)自身發(fā)生的變化，而是由“觀察行為”引發(fā)的——如果沒有觀察者的觀察，量子態(tài)就會一直按照薛定諤方程演化，不會發(fā)生坍縮。這與經(jīng)典物理學(xué)的觀念完全相反：在經(jīng)典物理學(xué)中，觀察是“客觀的”，觀察者只是“被動地”讀取系統(tǒng)的狀態(tài)，不會對系統(tǒng)的狀態(tài)產(chǎn)生任何影響；而在量子力學(xué)中，觀察者的“觀察行為”本身，就會改變系統(tǒng)的狀態(tài)。

第二層含義：波函數(shù)坍縮是“與薛定諤方程相悖的”。薛定諤方程描述的演化是連續(xù)的、確定的，而波函數(shù)坍縮是突然的、隨機(jī)的——這兩種演化模式相互矛盾，卻又同時存在于量子力學(xué)中，這讓很多物理學(xué)家感到困惑：為什么量子態(tài)會有兩種完全不同的演化模式？觀察行為到底是什么，竟然能打破薛定諤方程的規(guī)則？

更令人費(fèi)解的是：觀察行為不僅決定了觀察結(jié)果，還決定了量子態(tài)的演化方向。

我們觀察什么可觀測量，量子態(tài)就會坍縮到這個可觀測量的某個本征態(tài)——比如，我們觀察電子的自旋，量子態(tài)就會坍縮到自旋的本征態(tài)（上旋或下旋）；我們觀察電子的位置，量子態(tài)就會坍縮到位置的本征態(tài)（某個確定的坐標(biāo)）。也就是說，觀察者的“選擇”，竟然能決定量子系統(tǒng)的狀態(tài)——這聽起來像是“意識決定現(xiàn)實(shí)”，也讓波函數(shù)坍縮變得更加神秘。

波函數(shù)坍縮自提出以來，就一直是量子力學(xué)中最具爭議的概念。

很多人試圖用經(jīng)典思維來解釋它，其中最常見的一種解釋是：觀察難免會對量子系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，因此觀察會不可避免地改變系統(tǒng)的狀態(tài)——就像我們用溫度計測量一杯水的溫度時，溫度計會吸收水的一部分熱量，從而輕微改變水的溫度一樣，我們觀察量子系統(tǒng)時，觀察儀器也會對量子系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致量子態(tài)發(fā)生變化。

這種解釋看似合理，也容易理解，但它其實(shí)是典型的“經(jīng)典思維誤區(qū)”，是錯誤的。

為什么這么說？因?yàn)檫@種解釋隱含了一個前提：在觀察之前，量子系統(tǒng)已經(jīng)有一個確定的“狀態(tài)”了，觀察行為只是“干擾”了這個確定的狀態(tài)，讓它發(fā)生了變化。

但量子力學(xué)告訴我們的是，觀察改變的是“量子態(tài)”，而量子力學(xué)并沒有明確說明“量子態(tài)就是系統(tǒng)的物理狀態(tài)”——也就是說，我們不知道量子態(tài)到底是不是系統(tǒng)本身的狀態(tài)，它可能只是我們描述系統(tǒng)的一種“工具”。

更重要的是，如果量子態(tài)就是系統(tǒng)的物理狀態(tài)，那么“疊加態(tài)”就會變得無法理解。從態(tài)矢量的角度來看，量子態(tài)不僅可以疊加，還可以任意疊加——我們可以根據(jù)自己的計算方便，把同一個量子態(tài)看作不同狀態(tài)的疊加。

比如，一個電子的量子態(tài)，可以看作“上旋”和“下旋”的疊加，也可以看作“左旋”和“右旋”的疊加，甚至可以看作無數(shù)種不同自旋狀態(tài)的疊加。難道一個系統(tǒng)的物理狀態(tài)，會隨著我們的意愿而變化嗎？

這顯然是不符合邏輯的。

而貝爾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，更是直接否定了這種“觀察干擾論”。

貝爾實(shí)驗(yàn)是由物理學(xué)家約翰·貝爾提出的，其核心目的是檢驗(yàn)“定域隱變量理論”是否成立——定域隱變量理論認(rèn)為，量子系統(tǒng)的狀態(tài)是確定的，只是我們不知道這些“隱變量”，因此觀察結(jié)果才會表現(xiàn)出概率性，而觀察行為只是干擾了這些隱變量。

但貝爾實(shí)驗(yàn)明確表明，在滿足“定域性”（兩個空間上分離的系統(tǒng)，不會瞬間相互影響）的前提下，不可能存在一個確定的系統(tǒng)狀態(tài)——也就是說，“觀察干擾了系統(tǒng)的確定狀態(tài)”這種說法，是完全立不住腳的。

這里我們可以簡單介紹一下貝爾實(shí)驗(yàn)的核心思想。

貝爾基于玻姆的定域隱變量理論，推導(dǎo)出了一個著名的“貝爾不等式”——如果定域隱變量理論成立，那么量子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)測量結(jié)果必然滿足這個不等式；而如果量子力學(xué)是正確的，那么測量結(jié)果就會違背這個不等式。

后來，包括2022年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者克勞澤和塞林格在內(nèi)的眾多物理學(xué)家，通過一系列嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)，都驗(yàn)證了量子力學(xué)的結(jié)果確實(shí)違背了貝爾不等式，這就證明了定域隱變量理論是錯誤的，也說明量子系統(tǒng)在觀察之前，確實(shí)不存在一個確定的狀態(tài)。

那么，波函數(shù)坍縮到底是什么？

量子力學(xué)的基本公設(shè)中，觀察、坍縮、R過程都是“原生概念”——也就是說，它們是量子力學(xué)的公理，是基本的、不加解釋的。

就像歐幾里得幾何中的“平行線永不相交”一樣，我們不需要解釋為什么，只需要接受它，并用它來推導(dǎo)其他結(jié)論。在不對量子力學(xué)形式理論做出改變的情況下，我們不可能知道觀察到底是什么——它是意識造就現(xiàn)實(shí)嗎？還是一個純物理過程？

這些問題，量子力學(xué)本身無法回答，只能留給物理學(xué)家們?nèi)ヌ剿骱蜖幷摗?/p>

從純粹的“閉嘴計算”（Shut up and calculate）態(tài)度來看，量子態(tài)其實(shí)就是我們對觀測結(jié)果作出預(yù)測的“工具”，而量子力學(xué)就是使用這個工具的“手冊”，波函數(shù)坍縮只是這個手冊中的一環(huán)。

它很有用——我們可以通過它來預(yù)測觀察結(jié)果的概率，從而推動量子技術(shù)的發(fā)展；但我們也只知道它有用，不知道它背后的本質(zhì)是什么，不知道為什么觀察會導(dǎo)致坍縮。

第一個試圖用物理機(jī)制詳細(xì)分析觀察過程的人，就是馮·諾依曼。

他不滿足于將波函數(shù)坍縮作為一個“不加解釋的公理”，而是希望將這個神秘的過程，用某種明確的物理過程“消解”掉——也就是說，他希望證明，波函數(shù)坍縮并不是一個獨(dú)立的R過程，而是可以通過薛定諤方程描述的U過程，是一個純物理過程。

馮·諾依曼對觀察過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，他將觀察過程分為三個階段：

第一階段：量子系統(tǒng)處于一個“由本征態(tài)組成的疊加態(tài)”——比如，電子處于“上旋”和“下旋”的疊加態(tài)。

第二階段：量子系統(tǒng)與觀測儀器發(fā)生相互作用——比如，我們用一臺自旋測量儀器去測量電子的自旋，儀器與電子發(fā)生相互作用。

第三階段：觀察者介入，接受儀器的指示，并在意識中認(rèn)知到某一個特定的觀察結(jié)果——比如，儀器顯示電子是“上旋”，我們的意識認(rèn)知到這個結(jié)果。

馮·諾依曼認(rèn)為，這三個階段都是物理過程，都應(yīng)該可以用薛定諤方程來描述。

但他通過分析發(fā)現(xiàn)，事情并沒有這么簡單——由薛定諤方程的線性性質(zhì)可以推出，在量子系統(tǒng)與儀器、儀器與觀察者之間的物理相互作用過程中，一切疊加態(tài)都會被“保留”下來。

也就是說，電子的疊加態(tài)會傳遞給儀器，讓儀器也處于疊加態(tài)；儀器的疊加態(tài)又會傳遞給觀察者，讓觀察者也處于疊加態(tài)。

舉個例子：電子處于“上旋”和“下旋”的疊加態(tài)，當(dāng)它與儀器相互作用后，儀器會處于“顯示上旋”和“顯示下旋”的疊加態(tài)；當(dāng)觀察者觀察儀器時，觀察者會處于“看到上旋”和“看到下旋”的疊加態(tài)。

但現(xiàn)實(shí)情況是，我們從來沒有意識到自己處于“疊加態(tài)”——我們每次觀察，得到的都是一個確定的、單一的結(jié)果，而不是“既看到上旋又看到下旋”。

這就意味著，馮·諾依曼無法用物理過程完全消解波函數(shù)坍縮——他只能消解掉觀察過程中的“物理部分”（系統(tǒng)與儀器的相互作用、儀器與觀察者的物理相互作用），而那些無法消解的部分，他只能將其歸結(jié)為“非物理”的東西——也就是“意識”。

馮·諾依曼提出：波函數(shù)的坍縮，大概是與意識有關(guān)的。只有當(dāng)觀察者的意識“認(rèn)知到”某個觀察結(jié)果時，波函數(shù)才會發(fā)生坍縮，從疊加態(tài)突變?yōu)榇_定的本征態(tài)。

這就是“意識坍縮”假說的由來——意識成為了波函數(shù)坍縮的“觸發(fā)條件”，是意識造就了我們所看到的現(xiàn)實(shí)。

馮·諾依曼的學(xué)生尤金·維格納，進(jìn)一步發(fā)展了這個觀點(diǎn)，提出了“馮·諾依曼-維格納詮釋”，他認(rèn)為，意識是量子測量結(jié)果的決定因素，只有當(dāng)一個具有意識的觀察者觀察量子系統(tǒng)時，才會發(fā)生波函數(shù)坍縮；如果沒有意識的觀察者，量子系統(tǒng)就會一直處于疊加態(tài)，不會發(fā)生任何狀態(tài)變化。

但“意識坍縮”假說，在物理學(xué)界引起了巨大的爭議。

絕大多數(shù)物理學(xué)家并不認(rèn)同這個觀點(diǎn)，他們認(rèn)為，意識是一種復(fù)雜的生物現(xiàn)象，并不是一個基本的物理概念，用意識來解釋量子力學(xué)的奧秘，只會讓量子力學(xué)變得更加“玄學(xué)”，而不是更加清晰。而且，意識本身也是一個尚未被完全理解的概念，用一個未知的概念去解釋另一個未知的概念，并不是科學(xué)的研究方法。在一次量子會議的調(diào)查中，只有兩個人支持“意識引起波函數(shù)坍縮”的假說，這也說明，這個觀點(diǎn)在物理學(xué)界并沒有得到廣泛認(rèn)可。

還有很多人言之鑿鑿地說“觀察是個純物理過程”，但其實(shí)他們大多沒有仔細(xì)思考過這句話的含義。

如果觀察是一個純物理過程，那就意味著量子力學(xué)是“不完備的”——因?yàn)橛^察過程在量子力學(xué)中是作為公理存在的，如果它是一個物理過程，那么一個完備的物理理論，就應(yīng)該能夠?qū)@個過程做出描述，而不是將其付諸公設(shè)。用公設(shè)的形式強(qiáng)行規(guī)定觀察過程，恰恰說明量子力學(xué)對這個物理過程無能為力。

波函數(shù)坍縮的爭議，本質(zhì)上是關(guān)于“量子態(tài)到底是什么”“現(xiàn)實(shí)到底是什么”的爭議。

為了回答這些問題，物理學(xué)家們提出了多種量子力學(xué)詮釋，其中最具影響力的有三種，它們分別代表了對“現(xiàn)實(shí)”的三種不同理解，也對應(yīng)著三種不同的世界觀。

這三種詮釋，分別是“認(rèn)識論波函數(shù)”詮釋、“本體論波函數(shù)”詮釋和“隱變量理論”，我們可以將它們概括為“無現(xiàn)實(shí)”“多重現(xiàn)實(shí)”和“單一非定域現(xiàn)實(shí)”三大類。

以玻爾、海森堡為首的哥本哈根學(xué)派，提出了“認(rèn)識論波函數(shù)”詮釋，這也是量子力學(xué)中最主流、最具影響力的詮釋。

這種詮釋的核心觀點(diǎn)是：態(tài)矢量（波函數(shù)）代表的不是量子系統(tǒng)的“物理狀態(tài)”，而是我們對量子系統(tǒng)的“認(rèn)識狀態(tài)”——因?yàn)槲覀儫o法直接獲取微觀粒子的物理狀態(tài)，只能通過觀察來獲取信息，因此量子力學(xué)不描述系統(tǒng)的物理變化過程，而是描述我們對系統(tǒng)認(rèn)知的更新過程。

在哥本哈根詮釋中，“獨(dú)立于我們認(rèn)知的系統(tǒng)客觀狀態(tài)”是毫無意義的——我們所能關(guān)注的，只有我們通過觀察得到的“物理現(xiàn)象”，而不是現(xiàn)象背后的“客觀現(xiàn)實(shí)”。

疊加態(tài)作為一種“認(rèn)知狀態(tài)”的描述，就沒有任何奇怪之處了：它并不是說量子系統(tǒng)真的處于“多個狀態(tài)的疊加”，而是說我們對量子系統(tǒng)的認(rèn)知是“不確定的”，我們只能用疊加態(tài)來描述這種不確定性。

而波函數(shù)坍縮，在哥本哈根詮釋中，也不再是一個神秘的物理過程，而是我們“認(rèn)知的更新”——當(dāng)我們通過觀察獲得了新的信息后，我們對量子系統(tǒng)的認(rèn)知就會從“不確定的疊加態(tài)”更新為“確定的本征態(tài)”，這就像是我們通過調(diào)查，從“不知道某人的位置”更新為“知道某人的位置”一樣，是一種“貝葉斯更新”，與意識無關(guān)，也與物理干擾無關(guān)。

哥本哈根詮釋還有一個核心觀點(diǎn)：微觀世界與經(jīng)典世界有著本質(zhì)的區(qū)別，態(tài)矢量（波函數(shù)）適用于且只適用于微觀系統(tǒng)；而微觀粒子經(jīng)由經(jīng)典儀器把信息傳遞給觀察者時，必然會在其中某一點(diǎn)“坍縮”為經(jīng)典狀態(tài)。

也就是說，用量子態(tài)描述的微觀粒子、只能接受經(jīng)典狀態(tài)信息的我們，這兩者之間隔了一個“經(jīng)典儀器”，在跨越“量子-經(jīng)典邊界”的時候，波函數(shù)就會發(fā)生坍縮。

哥本哈根詮釋的優(yōu)勢在于，它能夠很好地解釋量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且簡潔明了，不需要引入額外的假設(shè)——它只需要我們接受“量子世界和經(jīng)典世界不同”“認(rèn)知比客觀現(xiàn)實(shí)更重要”這兩個前提。但它的劣勢也很明顯：它回避了“客觀現(xiàn)實(shí)到底是什么”的問題，將一切都?xì)w結(jié)為“認(rèn)知”，這讓很多追求“客觀真理”的物理學(xué)家難以接受。

與認(rèn)識論波函數(shù)相對的，是“本體論波函數(shù)”詮釋，這種詮釋的核心觀點(diǎn)是：量子態(tài)就是量子系統(tǒng)的“物理狀態(tài)”，量子力學(xué)描述的是物理過程，而不是我們的認(rèn)知過程。

也就是說，疊加態(tài)是“真實(shí)的物理狀態(tài)”，量子系統(tǒng)確實(shí)同時處于多個狀態(tài)的疊加之中——這聽起來非常不可思議，但這就是本體論波函數(shù)詮釋的核心。

本體論波函數(shù)詮釋中，最具代表性的就是“多世界理論”（也叫“平行宇宙理論”），它是由物理學(xué)家休·埃弗雷特在20世紀(jì)50年代提出的。

多世界理論認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)本身就是“多重的”，當(dāng)我們對一個處于疊加態(tài)的量子系統(tǒng)進(jìn)行觀察時，波函數(shù)并不會發(fā)生坍縮——相反，整個宇宙會分裂成多個“平行宇宙”，每個平行宇宙中，都對應(yīng)著一個可能的觀察結(jié)果。

舉個例子：當(dāng)我們觀察一個處于“上旋”和“下旋”疊加態(tài)的電子時，宇宙會分裂成兩個平行宇宙——在一個平行宇宙中，電子是上旋，我們觀察到的結(jié)果是上旋；在另一個平行宇宙中，電子是下旋，我們觀察到的結(jié)果是下旋。而我們自己，也會分裂成兩個“副本”，每個副本都生活在一個平行宇宙中，只能意識到自己所在宇宙中的觀察結(jié)果。

多世界理論的優(yōu)勢在于，它徹底拋棄了“波函數(shù)坍縮”這個神秘的概念，認(rèn)為量子態(tài)的演化只有一種模式——就是薛定諤方程描述的U過程，是連續(xù)的、確定的、幺正的。觀察過程也是一個純物理過程，不需要引入意識，也不需要假設(shè)量子-經(jīng)典邊界。

但多世界理論也面臨著一些難題：首先，它無法解釋“概率”的來源——波恩規(guī)則告訴我們，觀察結(jié)果的概率由量子態(tài)與本征態(tài)的重疊程度決定，但多世界理論中，所有可能的觀察結(jié)果都會發(fā)生，每個結(jié)果的“概率”似乎都應(yīng)該是100%，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。

其次，平行宇宙的存在，無法被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證——我們無法找到其他平行宇宙的證據(jù)，這也讓多世界理論受到了很多質(zhì)疑。

除了上述兩種詮釋，還有一類受眾較少但同樣重要的詮釋——隱變量理論。

這種理論的核心觀點(diǎn)是：承認(rèn)波函數(shù)的預(yù)測是正確的，但認(rèn)為波函數(shù)只是對“更深層現(xiàn)實(shí)”的認(rèn)識論描述——也就是說，量子系統(tǒng)的狀態(tài)是確定的，只是我們不知道這些“隱變量”（隱藏在波函數(shù)背后的物理量），因此觀察結(jié)果才會表現(xiàn)出概率性。

隱變量理論的提出，最初是為了回應(yīng)愛因斯坦對量子力學(xué)的質(zhì)疑——愛因斯坦認(rèn)為，量子力學(xué)的概率性是因?yàn)樗安煌陚洹保灰业竭@些隱變量，就能像經(jīng)典物理學(xué)一樣，對觀察結(jié)果做出確定的預(yù)測。最著名的隱變量理論，是玻姆提出的“導(dǎo)波理論”，它認(rèn)為，微觀粒子不僅有波函數(shù)，還有一個“導(dǎo)波”，導(dǎo)波引導(dǎo)著粒子的運(yùn)動，決定了粒子的位置和動量，而我們之所以無法預(yù)測粒子的狀態(tài)，是因?yàn)槲覀儾恢缹?dǎo)波的具體形式。

但貝爾不等式的提出，給隱變量理論帶來了致命的打擊。

貝爾不等式明確表明，隱變量理論必然是“非定域的”——也就是說，兩個空間上分離的量子系統(tǒng)，會瞬間相互影響，這種“超距作用”與相對論的“定域性原理”（任何信號的傳播速度都不能超過光速）相沖突。這也是隱變量理論受眾較少的原因——它雖然試圖保留“單一現(xiàn)實(shí)”的觀點(diǎn)，但卻違背了相對論，這讓很多物理學(xué)家難以接受。

簡單總結(jié)這三種詮釋，我們可以發(fā)現(xiàn)：哥本哈根詮釋認(rèn)為“物理現(xiàn)實(shí)毫無意義，物理現(xiàn)象才是我們應(yīng)該關(guān)注的”（無現(xiàn)實(shí)）；多世界理論認(rèn)為“物理現(xiàn)實(shí)不依賴于主觀觀察者，它是多重的”（多重現(xiàn)實(shí)）；隱變量理論認(rèn)為“物理現(xiàn)實(shí)是隱藏在波函數(shù)背后的單一現(xiàn)實(shí)，但是非定域的”（單一非定域現(xiàn)實(shí)）。這三種詮釋，都能解釋量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但它們對“現(xiàn)實(shí)”的理解卻截然不同，而我們熟悉的“傳統(tǒng)的、唯一的、定域的、確定的現(xiàn)實(shí)”，在量子力學(xué)中，是無法成立的。

很多人都有一個誤解，認(rèn)為退相干理論是量子力學(xué)的一種“新詮釋”，但事實(shí)上，退相干理論并不是一種詮釋，而是一種“純粹的動力學(xué)理論”——它是在量子力學(xué)的形式理論框架內(nèi)，對觀察過程做出的詳細(xì)分析，它沒有提出任何新的假設(shè)，也沒有改變量子力學(xué)的基本公設(shè)，只是幫助我們理清了觀察過程中的一些模糊不清之處。

退相干理論的核心觀點(diǎn)是：觀察并不是“觀察者對量子系統(tǒng)的干擾”，而是“觀測儀器（或觀察者）與量子系統(tǒng)、環(huán)境形成量子糾纏的過程”——這個過程是純幺正的，完全可以用薛定諤方程來描述，不需要引入波函數(shù)坍縮，也不需要引入意識。

為了理解退相干理論，我們可以舉一個通俗的例子：假設(shè)我們有一個電子，它可能處于兩個狀態(tài)，分別是“+”態(tài)和“-”態(tài)；同時，我們有一臺測量儀器，儀器的儀表盤初始狀態(tài)是“0”（就緒狀態(tài)）。當(dāng)我們用這臺儀器測量電子時，儀器與電子會發(fā)生相互作用——如果電子處于“+”態(tài)，儀器的讀數(shù)就會變成“1”；如果電子處于“-”態(tài)，儀器的讀數(shù)就會變成“2”。

根據(jù)量子力學(xué)的另一個公設(shè)（復(fù)合系統(tǒng)的希爾伯特空間由子系統(tǒng)希爾伯特空間的張量積構(gòu)成），當(dāng)電子處于“+”態(tài)和“-”態(tài)的疊加態(tài)時，它與儀器相互作用后，并不會讓儀器處于“1”和“2”的疊加態(tài)，而是電子和儀器共同進(jìn)入“+、1”與“-、2”的疊加態(tài)——這種狀態(tài)，就是大名鼎鼎的“量子糾纏態(tài)”。

量子糾纏態(tài)的核心特點(diǎn)是：復(fù)合系統(tǒng)的量子態(tài)無法被表示成子系統(tǒng)量子態(tài)的張量積——也就是說，糾纏態(tài)是“不可再分的”，我們無法將電子和儀器的量子態(tài)分開來描述，只能將它們作為一個整體來描述。

此時，單獨(dú)的電子、單獨(dú)的儀器，它們的量子態(tài)從數(shù)學(xué)上就不再有定義——我們無法說電子處于“+”態(tài)或“-”態(tài)，也無法說儀器處于“1”態(tài)或“2”態(tài)，只能說電子和儀器共同處于一個疊加的糾纏態(tài)中。

而我們觀察儀器的行為，本質(zhì)上就是“將這個整體系統(tǒng)（電子+儀器）強(qiáng)行分割為電子和儀器兩個子系統(tǒng)來對待”——但正如我們剛才所說，此時單獨(dú)的子系統(tǒng)已經(jīng)沒有量子態(tài)的定義了，因此從數(shù)學(xué)形式上，整個系統(tǒng)的量子態(tài)就會從“純態(tài)”（疊加態(tài)）變成“混合態(tài)”——也就是從一個確定的疊加態(tài)，變成一個概率分布。

簡單來說，退相干理論告訴我們：觀察并不是觀察者對系統(tǒng)產(chǎn)生了什么影響，而是觀察者與系統(tǒng)發(fā)生糾纏后，兩者不再有獨(dú)立的定義——我們之所以能看到確定的觀察結(jié)果，是因?yàn)槲覀儚?qiáng)行將糾纏在一起的系統(tǒng)和觀察者分開，從而讓疊加態(tài)“退相干”，變成了概率分布。

前面我們提到，測量過程其實(shí)包含兩件事：第一，根據(jù)可觀測量的本征態(tài)，形成一系列觀測結(jié)果的選項(xiàng)；第二，系統(tǒng)“坍縮”至其中某一個本征態(tài)。

在退相干理論中，這兩件事被分別稱為“偏好基問題”（preferred basis problem）和“輸出值問題”（outcome problem）。

偏好基問題，回答的是：為什么我們觀察到的結(jié)果，總是確定的經(jīng)典結(jié)果？為什么我們不能看到“既在這兒又在那兒”的電子，不能看到“既死又活”的薛定諤的貓，甚至不能看到“既是貓又是狗”的動物？

退相干理論給出了答案：因?yàn)榱孔酉到y(tǒng)與環(huán)境（包括觀測儀器、空氣分子、光子等）的糾纏，會導(dǎo)致疊加態(tài)“退相干”，只有那些“穩(wěn)定的、不易被環(huán)境干擾的本征態(tài)”（也就是偏好基），才能被我們觀察到，而那些“不穩(wěn)定的疊加態(tài)”，會被環(huán)境快速“沖刷掉”，因此我們永遠(yuǎn)看不到它們。

這里需要補(bǔ)充一點(diǎn)，朱克（W. H. Zurek）等物理學(xué)家提出了“優(yōu)化指針基”的概念，認(rèn)為儀器的“優(yōu)化指針基”是“關(guān)于系統(tǒng)態(tài)的一個可靠記錄”，這種基受到系統(tǒng)與儀器之間相互作用的影響最小，因此更容易被我們觀察到，這也進(jìn)一步解釋了為什么我們觀察到的結(jié)果總是確定的經(jīng)典結(jié)果。

而輸出值問題，回答的是：為什么觀察會產(chǎn)生一個特定的結(jié)果，以及為什么產(chǎn)生這個結(jié)果的概率由波恩規(guī)則指定？

遺憾的是，退相干理論雖然能夠很好地解決偏好基問題，但對輸出值問題卻無能為力——它只能告訴我們“為什么我們看到的結(jié)果是經(jīng)典的”，但無法告訴我們“為什么我們看到的是這個結(jié)果，而不是那個結(jié)果”，也無法解釋“概率為什么由波恩規(guī)則決定”。

這個問題，歸根結(jié)底還是要依賴于量子力學(xué)的詮釋：

對于那些認(rèn)為“坍縮存在”的詮釋（比如哥本哈根詮釋），對輸出值問題的答案就是：這個過程就是波函數(shù)坍縮，它仍然是一種（物理的或非物理的）神秘過程。

對于多世界理論，對輸出值問題的答案就是：觀察是一個符合幺正演化的純物理過程，因此所有可能的結(jié)果都會保留下來，只不過“我”的一個副本只能在一個平行宇宙中，意識到一個結(jié)果。

這就是到目前為止，物理學(xué)家們?nèi)匀淮嬖诘姆制纭讼喔衫碚撾m然解開了觀察過程中的一部分謎團(tuán)，但并沒有從根子上解決“觀察為什么會導(dǎo)致確定結(jié)果”的問題，也沒有解決波函數(shù)坍縮的爭議。