波函數(shù)坍縮屬于正統(tǒng)的哥本哈根解釋，但它歷來是科學(xué)家們爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，因?yàn)樗鼘?shí)在是令人難以理解。沒有證據(jù)表明波函數(shù)坍縮是一種實(shí)在的物理過程，這只是人為引入的一種解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的手段：一個(gè)量子系統(tǒng)在測(cè)量之前處于各種狀態(tài)的疊加態(tài)，只有進(jìn)行測(cè)量才能顯示出其中一種狀態(tài)，其他的狀態(tài)瞬間消失。對(duì)于那些難以理解的量子實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這樣的解釋看似合理，但似乎又經(jīng)不住推敲：最后坍縮的那一瞬間，到底是什么在起作用使它選擇了其中一種狀態(tài)呢？

13.1 意識(shí)論：我思故我在？

在1927年的第五次索爾維會(huì)議上，狄拉克認(rèn)為，波函數(shù)坍縮是自然隨機(jī)選擇的結(jié)果，而海森堡則認(rèn)為它是觀察者選擇的結(jié)果。玻爾似乎同意狄拉克的觀點(diǎn)，他在1931年曾說過：“我們必須在很大程度上使用統(tǒng)計(jì)方法，并談?wù)撟匀辉谝恍┛赡苄灾虚g進(jìn)行選擇。”

更驚人的想法來自于“計(jì)算機(jī)之父”——美籍匈牙利學(xué)者馮·諾依曼（John von Neumann）。1932年，諾依曼出版了經(jīng)典的量子力學(xué)教科書《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》，書中明確地給出了波函數(shù)坍縮這個(gè)概念，并且認(rèn)為導(dǎo)致波函數(shù)坍縮的可能原因是觀察者的意識(shí)。

諾依曼認(rèn)為，量子理論不僅適用于微觀粒子，也適用于測(cè)量?jī)x器。于是，測(cè)量?jī)x器的波函數(shù)也同樣需要“別人”來坍縮，而由于觀察者所意識(shí)到的測(cè)量結(jié)果總是確定的這一事實(shí)，因此只有意識(shí)才能最終坍縮波函數(shù)而產(chǎn)生確定的結(jié)果。

意識(shí)坍縮波函數(shù)類似于“我思故我在”，這一帶點(diǎn)唯心主義的觀點(diǎn)受到了一些人的追捧，還不斷地在此基礎(chǔ)上發(fā)展出一些新的理論。

1939 年，倫敦和鮑厄撰文介紹意識(shí)論，在他們看來，只有觀察者才能夠支配一種特有的內(nèi)省本領(lǐng)，即觀察者能夠立即說明他自己的狀態(tài)，而正是依靠這種內(nèi)在的認(rèn)識(shí)，觀察者才能夠產(chǎn)生一種確定的客觀性，從而使疊加的波函數(shù)坍縮。

維格納于20 世紀(jì)60 年代再次發(fā)展意識(shí)論，他認(rèn)為，有意識(shí)的生物在量子力學(xué)中的作用一定與無生命的測(cè)量裝置不同。維格納進(jìn)一步建議，考慮到意識(shí)對(duì)波函數(shù)的特殊作用，量子力學(xué)中的線性薛定諤方程必須用非線性方程來代替。

意識(shí)論當(dāng)然也遭到了很多人的反對(duì)，不少學(xué)者開始試圖尋找導(dǎo)致波函數(shù)坍縮的其他原因，比如從熱力學(xué)角度考慮，或者建立動(dòng)態(tài)坍縮模型。

13.2 熱力學(xué)不可逆過程

1949 年，德國(guó)學(xué)者約爾丹（P. Jordan）撰文指出，波函數(shù)坍縮過程不是觀察者的意識(shí)作用，而必定是一個(gè)真實(shí)的宏觀物理過程。他指出，在每一種測(cè)量中，微觀粒子都要留下宏觀尺寸的蹤跡，因此，解決坍縮問題的關(guān)鍵一定在熱力學(xué)中，而坍縮本身就是一種熱力學(xué)不可逆過程。

20 世紀(jì)50 年代，路德維希進(jìn)一步發(fā)展了約爾丹的想法。他認(rèn)為，測(cè)量?jī)x器是一個(gè)處于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)的宏觀系統(tǒng)，在受到微觀系統(tǒng)的擾動(dòng)時(shí)能向一個(gè)熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)演化，從而導(dǎo)致一個(gè)確定的測(cè)量結(jié)果的出現(xiàn)。因此，波函數(shù)坍縮是一種由微觀事件觸發(fā)的熱力學(xué)不可逆過程。海森堡當(dāng)時(shí)也表達(dá)了同樣的看法，即只要量子測(cè)量從可逆過程轉(zhuǎn)變成熱力學(xué)不可逆過程，波函數(shù)坍縮就會(huì)發(fā)生。

然而，為了利用熱力學(xué)不可逆過程來解釋波函數(shù)坍縮，必須首先說明薛定諤方程所規(guī)定的可逆過程在宏觀極限情況下如何能演變成表征測(cè)量的不可逆過程，而已有的理論都未能做到這一點(diǎn)。

13.3 退相干理論

為了解決波函數(shù)為什么會(huì)坍縮的問題，有的物理學(xué)家又提出了退相干理論。所謂“退相干”，顧名思義，就是指相互干涉作用的退去，也就是說，量子疊加態(tài)不同部分間的相位關(guān)系的退去。根據(jù)退相干理論，當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)與測(cè)量?jī)x器和外界環(huán)境相互作用后，就會(huì)發(fā)生退相干過程，產(chǎn)生實(shí)際觀察到的結(jié)果，從疊加態(tài)變?yōu)榇_定態(tài)。

人們認(rèn)識(shí)到，最初形成的量子觀點(diǎn)僅適用于孤立的封閉系統(tǒng)，然而宇宙中沒有任何物體是完全孤立的，宇宙中總有一些粒子存在，至少有光子存在，因此不考慮外部環(huán)境的作用似乎是不現(xiàn)實(shí)的。于是提出了這樣的觀點(diǎn)：自然界中宏觀量子干涉效應(yīng)的缺乏，是由于周圍環(huán)境造成的退相干效應(yīng)的存在，經(jīng)典性是量子性退去相干性的結(jié)果。這就是退相干思想的由來。

根據(jù)退相干理論，相干疊加態(tài)只有在與世隔絕的情況下才能夠一直維持下去。然而事實(shí)上，除了宇宙本身以外，每個(gè)真實(shí)的系統(tǒng)，不論是量子的或是經(jīng)典的，從不近似的孤立，都與外部環(huán)境密切聯(lián)系，是開放的系統(tǒng)。外部環(huán)境可以是空氣中的分子、原子，也可以是輻射中的光子。

它們就像一個(gè)個(gè)“觀測(cè)者”，不斷和處于量子疊加態(tài)的系統(tǒng)發(fā)生耦合作用。這種不可避免的耦合作用會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的相位關(guān)聯(lián)不可逆地消失，從而破壞系統(tǒng)的量子疊加性，促使系統(tǒng)的波函數(shù)坍縮到某個(gè)確定的經(jīng)典態(tài)。

簡(jiǎn)單來說，一個(gè)與環(huán)境隔絕的量子系統(tǒng)處于純態(tài)的疊加態(tài)，但它一旦接觸外部環(huán)境，它與環(huán)境的相互作用就將破壞它的疊加態(tài)，這就是環(huán)境使系統(tǒng)發(fā)生退相干。

還以我們一直研究的雙縫衍射為例，一個(gè)電子的狀態(tài)是穿過縫A 和穿過縫B 兩種狀態(tài)的疊加態(tài)，但一旦你進(jìn)行觀察，在光子的作用下電子的疊加態(tài)會(huì)退相干，于是屏幕上的圖案就會(huì)發(fā)生改變。

退相干理論中有一個(gè)參數(shù)叫退相干時(shí)間，就是體系從量子態(tài)演變?yōu)榻?jīng)典態(tài)的時(shí)間。退相干時(shí)間與研究對(duì)象的大小和環(huán)境中的粒子數(shù)有關(guān)。

一個(gè)半徑10?8m 的分子在空氣中的退相干時(shí)間約為10?30s ；如果把空氣抽去，則能延長(zhǎng)到10?17s ；如果把這個(gè)分子放在星際空間，它在那里只能與宇宙微波背景輻射相互作用，估計(jì)能延長(zhǎng)到30000 年。而對(duì)于一個(gè)半徑為10?5m 的塵埃顆粒，即使在星際空間，其退相干時(shí)間也只有1μs。

另外，如果環(huán)境中有大量粒子存在，則退相干時(shí)間也會(huì)非常非常短，可以認(rèn)為是瞬時(shí)完成。電子在遇到屏幕時(shí)，屏幕上的大量粒子會(huì)使電子瞬時(shí)退相干，于是我們就會(huì)測(cè)量到一個(gè)落點(diǎn)。這就解釋了波函數(shù)為什么會(huì)坍縮。

退相干理論為量子世界和經(jīng)典世界提供了一座橋梁，更重要的是，該理論指出波函數(shù)坍縮是系統(tǒng)與環(huán)境作用的結(jié)果，用不著測(cè)量?jī)x器和人為意識(shí)的介入，這一點(diǎn)是使該理論受到部分物理學(xué)家追捧的原因。但是退相干理論并沒有從本質(zhì)上解決測(cè)量問題，它可以說明為什么特定的對(duì)象在受到觀察時(shí)會(huì)表現(xiàn)為經(jīng)典的測(cè)量結(jié)果，但不能說明它是如何從眾多的可能結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)特定結(jié)果的。

換句話說，退相干理論并不能取代波函數(shù)坍縮假設(shè)來解決測(cè)量問題，它本身無法說明為何一次特定的測(cè)量會(huì)得到某個(gè)特定的結(jié)果而不是另一個(gè)?？梢哉f，退相干理論是波函數(shù)坍縮解釋的現(xiàn)代擴(kuò)展版本。

13.4 GRW 理論

GRW 理論是由三位意大利學(xué)者G. C. Ghirardi，A. Rimini 和T. Weber最先提出來的，所以用他們的姓名首字母作為該理論的名稱。

該理論也是對(duì)于波函數(shù)坍縮的修正，其核心思想就是波函數(shù)坍縮既不需要“測(cè)量者”參與，也不牽涉到“意識(shí)”，它只是基于隨機(jī)過程，所以也稱為自發(fā)定域理論。

GRW 理論的主要假定是，任何系統(tǒng)，不管是微觀還是宏觀的，都不可能在嚴(yán)格的意義上孤立，它們總是和環(huán)境發(fā)生著種種交流，于是就會(huì)被一些隨機(jī)的過程所影響，這些隨機(jī)的物理過程所產(chǎn)生的微小擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)從一個(gè)不確定的疊加狀態(tài)變?yōu)樵诳臻g中比較精確的定域狀態(tài)，也就是說，波函數(shù)坍縮是一種自發(fā)的從疊加態(tài)變?yōu)槎ㄓ驊B(tài)的過程。

GRW 理論的缺點(diǎn)是引入了新的物理常數(shù)，包括觸發(fā)定域化的最小距離以及自發(fā)定域化的頻率。引入新的常數(shù)總是令人心中不太踏實(shí)。另外，該理論還存在種種難以自圓其說的地方，所以也是步履維艱。

13.5 多世界理論：人人都能創(chuàng)造平行宇宙

除了修正波函數(shù)坍縮過程的努力，更有的物理學(xué)家根本不贊同波函數(shù)坍縮這一觀點(diǎn)，于是他們千方百計(jì)地想出別的理論來取而代之。

相信不少人都聽說過平行宇宙、多重宇宙、多重世界等說法吧。你是否能想象有無數(shù)多個(gè)世界里都有你的身影，你從出生那天起，從第一聲啼哭是否被旁人聽見開始，你就不斷地把世界分裂成無數(shù)個(gè)分支，于是世界上所有的人也就得跟著分身，就得陪著你在這不同的世界里生活，而你也得在別人分裂出的世界里不斷復(fù)制自身……簡(jiǎn)直亂得一塌糊涂。

你是不是以為我在胡言亂語(yǔ)？這可不是我說的，這就是最受科幻迷們追捧的量子物理新理論——多世界理論。這個(gè)理論的始作俑者叫艾弗雷特（Hugh Everett），然后不斷地有人發(fā)展，最后居然成了熱門理論?？磥頌榱私忉屃孔蝇F(xiàn)象，物理學(xué)家們已經(jīng)到了“饑不擇食”的地步了。

艾弗雷特從小就對(duì)宇宙感興趣，他12 歲的時(shí)候就給愛因斯坦寫信問了一些關(guān)于宇宙的問題，愛因斯坦給他回信進(jìn)行了解答。

1953 年，艾弗雷特畢業(yè)于美國(guó)天主教大學(xué)化學(xué)工程系，獲得獎(jiǎng)學(xué)金進(jìn)入普林斯頓大學(xué)讀研。一開始他進(jìn)的是數(shù)學(xué)系，但他很快就設(shè)法轉(zhuǎn)入物理系，成為惠勒的學(xué)生（和費(fèi)曼師出同門），研究量子力學(xué)。

艾弗雷特對(duì)波函數(shù)坍縮百思不得其解，于是干脆直接否定了它：根本不會(huì)發(fā)生波函數(shù)坍縮。

1957 年，艾弗雷特在他的博士論文中提出了量子理論的多重世界詮釋。他提出一個(gè)“相對(duì)狀態(tài)”公式，并說明用他的所有量子狀態(tài)都可能存在的假定也可以得出對(duì)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)。

他的理論是，所有孤立系統(tǒng)的演化都遵循薛定諤方程，但波函數(shù)坍縮從不發(fā)生。在他看來，被測(cè)系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x器和觀察者都有自己的波函數(shù)，也都存在各種狀態(tài)，于是這三者構(gòu)成的整體也就存在各種疊加態(tài)，這些疊加態(tài)中每個(gè)狀態(tài)都包含一個(gè)確定的觀察者態(tài)、一個(gè)具有確定讀數(shù)的測(cè)量?jī)x器態(tài)，以及一個(gè)確定的被測(cè)系統(tǒng)態(tài)，因此，在每一個(gè)狀態(tài)中的觀察者都會(huì)看到一個(gè)確定的測(cè)量結(jié)果，這樣，在這個(gè)狀態(tài)中波函數(shù)坍縮看似已經(jīng)發(fā)生，其實(shí)是因?yàn)樗麄儾恢榔渌叫袪顟B(tài)的存在而已。實(shí)際上從整體來看，波函數(shù)并沒有坍縮，它仍然在各種平行狀態(tài)中發(fā)展著。

簡(jiǎn)單來說，就是波函數(shù)的每一種可能狀態(tài)都會(huì)發(fā)展下去，不會(huì)因?yàn)槟愕挠^察而消失，而每一種狀態(tài)都需要一個(gè)世界供它發(fā)展，于是就需要無數(shù)個(gè)平行的世界。就比如電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，電子在所有亮條紋處都有出現(xiàn)的概率，但你發(fā)射一個(gè)電子它只會(huì)有一個(gè)落點(diǎn)。它為什么偏偏會(huì)落到這一點(diǎn)呢？

當(dāng)你苦苦思索時(shí)，艾弗雷特會(huì)微微一笑，告訴你，別想了，在這個(gè)世界里電子落在這一點(diǎn)，但在另一個(gè)世界里它落在另一點(diǎn)，不過只有那個(gè)世界里的你和我才能看到，在第三個(gè)世界里它又落在另一點(diǎn)，不過也只有第三個(gè)世界里的你和我才能看到……總之，電子所有可能的落點(diǎn)都會(huì)分裂出一個(gè)世界，也只有那個(gè)世界里的你和我會(huì)看到它落在哪里。

宇宙就是一個(gè)孤立系統(tǒng)，這樣，因?yàn)槟阕隽艘淮坞娮与p縫干涉實(shí)驗(yàn)，宇宙就分裂成無數(shù)個(gè)平行宇宙，這么看來，我們?nèi)祟惷繒r(shí)每刻都在不斷地創(chuàng)造著新的宇宙。這個(gè)說法真是太怪誕了！為了一個(gè)小小的電子落點(diǎn)問題，我們竟然要興師動(dòng)眾地牽涉整個(gè)宇宙的分裂！

得克薩斯大學(xué)的布萊斯·德威特在剛接觸這個(gè)理論時(shí)，曾將其斥為“徹頭徹尾的精神分裂癥”，但令人費(fèi)解的是，后來德威特卻成了該理論最積極的鼓吹者之一。

對(duì)于信奉多重世界理論的人來說，也許不必為世界上任何事難過。比如他有一條寵物狗，有人開槍打死了它，多世界者會(huì)說，沒關(guān)系，我的狗在子彈打偏的世界里照樣活得好好的。他們真能這么瀟灑嗎？