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按照量子力學，微觀粒子沒有確定的狀態，它們可以同時處於多個位置，同時以不同的速度運動。然而，我們眼中的宏觀世界卻沒有這樣的怪異現象。現實真的被分成了兩個截然不同的世界嗎？量子和經典的邊界在哪裡？前者又是如何向後者轉變的？為了解答這些問題，物理學家設計了各種精巧的實驗，甚至打算把一隻水熊送入量子世界，讓它處於某種疊加態。
西蒙·格勒布拉赫爾（Simon Gröblacher）的大部分作品都是肉眼看不到的。在荷蘭代爾夫特理工大學的實驗室裡，他製造的一個機械裝置只有幾百萬分之一米長，比一個細菌大不了多少。這個裝置的厚度是250納米，大約是一張紙厚度的千分之一。毫無疑問，格勒布拉赫爾還可以繼續縮小他的設計，但他有一個不同的目標：他想把裝置放大，而不是縮小。“我們正在嘗試的就是製造那些真的很大的東西。”他邊說邊在電腦上展示了所提到的裝置的圖像。請記住，對於格勒布拉赫爾這樣一個實驗物理學家而言，“真的很大”指的是不借助顯微鏡只能勉強看到的東西，“1毫米乘1毫米的尺寸。”
通過研究這類尺度不是那麼大的系統，格勒布拉赫爾希望解決一個非同尋常的問題：一個宏觀物體可以同時處在兩個地方嗎？這個看似不可能的狀況，對原子、光子和所有其他微觀粒子來說其實是很正常的。根據量子理論的離奇定律，現實在最基本的層次上是違揹我們的常識性假設的：至少在沒有對它們進行觀察的時候，粒子沒有固定的位置、能量或任何其他確定的性質。它們能同時處在許多狀態。
但是，由於某些物理學家還未理解的原因，我們看到的現實是不同的。我們的世界——甚至我們無法直接觀察到的部分，看起來顯然是非量子的。“真的很大的物體”，也就是說尺寸比病毒要大的東西，僅會在一個地方出現。這就產生了一個謎： 如果一切都建立在具有量子不確定性的物質和能量之上，為什麼我們無法親身體驗到量子奇異性呢？量子世界的盡頭在哪？現實是否存在一道裂痕，有一個讓量子效應消失的尺度？或者說量子力學無處不在，只是我們在某種程度上忽視了它？
測量讓量子轉化為了現實？
儘管存在若干悖論，量子力學仍是有史以來最為強大和嚴謹的科學理論。這一理論的預言與實驗結果的符合程度高得匪夷所思，在某些情況下準確度甚至在萬億分之一以內。量子力學改變了我們對原子結構的理解，從而也改變了從生物學到天體物理學等等，科學的方方面面。然而，這個理論有一個明顯的缺點，普林斯頓高等研究院的理論物理學家斯蒂芬·L·阿德勒（Stephen L. Adler）說：“在量子力學中，事情不會發生。”
阿德勒隱晦的評論，針對的是量子理論基本方程對現實本質的解釋，或者說，這種解釋的無力之處。這些被稱為波函數的方程可以計算物體處於不同狀態中的概率。在牛頓物理框架下，蘋果、行星以及一切事物都總是具有明確的性質，與之不同的是，量子物理在本質上是概率性的。從某種意義上說，波函數所描述的粒子，甚至不能說是完全存在的；它們沒有固定的位置、速度或能量，只有概率。但當科學家對它們進行測量時，一切都會改變。測量之後，粒子真實、具體的性質就出現了，彷彿只是試圖觀察它們就使其改變了。理論不僅沒有說明為什麼測量帶來了這種轉變，也沒有告訴我們為什麼在諸多可能結果中展現出的是這一個，而不是其他的。量子力學描述的是測量後可能發生什麼，而不是將會發生什麼。換言之，該理論沒有提供從可能轉變為現實的機制。
為了在量子力學中“讓事情發生”，該理論的傳奇創始人之一維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）提出了一種近乎超自然的解釋。在20世紀20年代後期，海森堡闡述並傳播了這樣一種觀念，即測量的行為使得粒子的波函數“坍縮”——許多潛在的結果瞬間減少為單個觀測結果。這一觀念唯一的缺陷是，量子理論的方程無法預言坍縮的發生，也不能提供一種物理過程來解釋它。海森堡的“解決方案”實質上將一個新的謎題引入了物理學：在波函數坍縮時到底發生了什麼？這一量子疑難現在被稱為“測量問題”。
測量坍縮：一種解釋宇宙如何從量子跨越到經典的理論就是引入測量的干預。在沒人觀察的情況下，粒子可以處於量子疊加態上（黃色虛線）。一旦人類對它們進行測量，粒子就會被迫選擇一個具體的狀態（橙色實線）。這到底是如何發生的，還有為什麼人類的測量會在物理學中產生如此大的影響，仍是未解之謎。
在過去的90年裡，物理學家可能已經習慣了坍縮這個概念，但他們從未真正喜歡過它。在解釋宇宙如何運作的最基本理論中，人類的行為——測量——起著核心作用，這種觀點讓任何一個內心更傾向客觀現實概念的人都很難接受。
多世界還是退相干
解決測量問題的一個巧妙方法是假定坍縮根本不會發生。20世紀70年代初，H·迪特爾·策（H. Dieter Zeh）提出了一種在保持波函數疊加性的同時，使其出現坍縮效果的過程。策認為，在現實世界中，任何物體的波函數都與周圍環境中的其他物體不可避免地聯繫在一起，我們無法精確追蹤這些不計其數的量子相互作用。用量子的語言來說，波函數“糾纏”起來了。一個觀察者只能看到這個巨大糾纏系統的一小部分，這就解釋了為什麼任何特定的測量都只能獲取量子世界的一部分信息。
策把這個過程稱為“退相干”，它已經成為物理學家回答為什麼在宏觀層面上看不到量子現象的首選解釋。如果退相干模型是正確的，我們自己就生活在糾纏的量子網絡中，但只看到了網絡的一部分。
退相干：一種理論認為，粒子所處的環境會導致它從量子向經典過渡。只要一個粒子不受到外界影響的擾動，它就能保持在疊加態上。但一旦其他粒子或者物體的波函數和它自身的波函數相遇，這些物質波就可能發生干涉，最終導致粒子的諸多量子可能坍縮為一個確定的經典現實。
然而並非所有物理學家都認為退相干解決了測量問題。例如，它仍然無法解釋為什麼我們僅能看到量子網絡的一條分支，而不是其他的分支。許多量子力學研究者都覺得，需要坍縮才能恢復世界在演化中的統一性，而不是寄希望於不斷擴大的糾纏網。阿德勒對退相干的評價更為直率：“它根本沒有（為波函數坍縮）提供一種機制。並不能解決這個問題。”
60年前，普林斯頓大學的一位博士研究生休·埃弗裡特（Hugh Everett）提出了一個更徹底地解決坍縮問題的辦法。他在1957年完成的博士論文中提出，波函數既不坍縮也不退相干，它的所有組成部分在物理上都是真實存在的，是不斷分裂的多重宇宙的一部分。埃弗裡特的理論被稱為“多世界”詮釋，它在宇宙學家中很流行，因為他們還有其他理由認為我們可能生活在多元宇宙中。但從未有人能從實驗的角度區分多世界詮釋和標準量子理論。
除了“多世界”詮釋，還有其他十幾個認定坍縮不會發生的量子力學詮釋，但它們同樣缺乏證據。最終，不同的量子派系根據自己的審美選擇他們最喜歡的對現實的描述。 “讓我們回到這樣一個事實，我們的世界正在演化，” 布倫科強調，“為此，我們確實需要某種形式的坍縮，這不僅僅是一個為了解釋實驗結果而提出的規則，而是一種實際存在的過程。”
把水熊送入量子世界
在荷蘭的代爾夫特市，格勒布拉赫爾向來訪者展示了一個他和同事製造的“真的很大”的東西——一塊拴在硅芯片上、毫米大小的薄膜，用肉眼勉強能看見。
靠近觀察，這張膜就像一個微型蹦床。它是由氮化硅製成的，後者是一種耐用的陶瓷材料，也用在航天飛機的發動機軸承上。膜的中間還放置了一個高反射率的鏡子。芯片上，一個部件的一次晃動可以使膜振動數分鐘。“這樣的膜是非常好的振子，” 格勒布拉赫爾說，“打個比方，就像在推鞦韆時，僅需要一次推動，鞦韆就會來回搖晃10年。”儘管這張膜非常小，但卻極其結實。“我們真的給它施加了很大的壓強，足足有6GPa，”格勒布拉赫爾的合作者之一理查德·諾爾特（Richard Norte）說，“這個壓強大概是你自行車胎壓的1萬倍，而這張膜的厚度僅僅是DNA寬度的8倍。”
結實的特性使得這種膜成為研究量子現象的理想系統，它可以在室溫下振動而不會破裂。格勒布拉赫爾和諾爾特的計劃是，利用激光讓膜進入量子疊加態，也就是讓膜同時以兩種不同的振幅振盪。膜能持續振動數分鐘才停止，這種能力在理論上允許它的量子狀態持續足夠長的時間。這便讓我們有機會看看膜在什麼時候坍縮到單個經典狀態，或者它到底會不會坍縮。
格勒布拉赫爾的實驗示意圖
“這正是構建某種量子系統時所需要的東西”，格勒布拉赫爾說，“我們不想讓它與環境相互作用，因為這可能引起退相干。因此，我們想要一個與外界隔離得非常好的系統，並讓它處於量子狀態。接著，我們可以自己啟動退相干，利用某種你可以控制的東西，比如激光。我們目前還沒有實現讓系統處於振動的量子疊加態，但這會是我們接下來幾年的目標。”
即便實現了這個目標，格勒布拉赫爾和同事也沒有打算就此停下。研究人員希望最終能將活的生物放在膜上，然後讓膜和置於其上的乘客一起進入量子疊加態。在進軍量子世界的計劃中，頭號候選者是一種八條腿的、被稱為緩步動物的微小生物，它們也被稱為水熊。“它們是非常神奇的生物，” 格勒布拉赫爾說，“任憑你冷凍它們，或是加熱它們，甚至是把它們放在真空中，它們都能活著。”他承認這一步還有些遙遠， “但這並不瘋狂，這是一個很好的長期目標。但首先我們必須讓我們的設備處於量子疊加態，然後才能去考慮把一個活的有機體放上去。”
無需有人觀測的客觀坍縮
不管有沒有緩步動物，這樣的實驗都能讓物理學家檢驗大自然是否在一個確定的尺度之上消除了量子效應。一些物理學家已經提出，坍縮可能是一種真實的物理現象，它具有可測量效應。一種被稱為連續自發局域化（continuous spontaneous localization，CSL）的理論提出，波函數坍縮是一個在微觀世界中不斷髮生的隨機事件。根據CSL，任何單個粒子坍縮的可能性是極低的，可能在幾億年內發生一次。但是對於大量聚集的粒子體系來說，坍縮就變成必然的了。
連續自發局域化：一種解釋是，波函數坍縮到某一個可能狀態是一個隨機事件，這並非是由人類或環境干擾所導致的。雖然任何一個粒子在任一給定時刻坍縮的機率非常小，但是對於一個包含了大量原子的宏觀物體而言，至少有一個粒子坍縮便幾乎成為一個必然事件。這就反過來導致整個系統的坍縮。
如果CSL是真實的，測量和觀察就不會對坍縮有任何影響。在任何測量中，給定的粒子和用於記錄它的設備都會成為巨大量子系統的一部分，這個系統會非常迅速地坍縮。儘管粒子從量子疊加態到一個確定位置的轉變似乎是在測量過程中發生的，而事實上，早在測量發生之前，粒子通過與測量設備相互作用就已經完成了這種轉變。
幾十年來，大多數物理學家都將波函數坍縮視為量子理論中一個本質上不可檢驗的東西。但CSL和其他坍縮模型已經改變了這一觀點。例如，CSL模型預測坍縮會讓粒子產生輕微的抖動，進而產生一種無所不在的背景振動，這可能在實驗中檢測到。物理學家已經開始在一些令人意外的地方搜尋證據。
他們分析了激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）校準後的數據。LIGO首次探測到引力波信號時，在設於華盛頓州和路易斯安娜州的兩個觀測站中，引力波拉伸和壓縮了兩面反射鏡之間的空間，讓反射鏡移動了質子直徑1/4000的距離，這一結果與愛因斯坦廣義相對論的預言完美契合。但巴西和同事在LIGO的數據中沒有發現CSL預言的量子效應帶來的額外移動。
按照CSL理論預測，量子抖動會推動LIGO的反射鏡，但科學家目前還沒有發現這樣的證據。
物理學家也在搜尋暗物質（構成了宇宙中85%物質的假想粒子）的實驗中尋找坍縮的跡象。一個深藏於西班牙比利牛斯山之下的實驗設備，會使用鍺探測器來搜尋暗物質粒子穿過探測器時產生的x射線閃爍信號。而一個正在坍縮的波函數也應該產生一些閃爍信號，但該實驗的研究者還沒有看到這樣的輻射。
這一系列的實驗已經大大收緊了對坍縮模型的限制，但目前還不足以排除某個模型。去年9月，英國南安普敦大學的物理學家安德烈亞·維南特（Andrea Vinante）等人宣佈發現了支持CSL模型的初步證據。維南特等人制作了一個只有半毫米長，兩微米厚的微型懸臂（一個一端固定的水平梁），它的端點焊接了一塊小磁鐵。研究人員小心地屏蔽了一切外界振動，並將懸臂冷卻到0.04K，以消除任何可能由熱現象引發的運動。
在這種情況下，懸臂會因為粒子的熱運動而發生極其輕微的振動。但是實際的晃動卻大於這一預想的運動。實驗中用到的運動探測器是一種被稱為超導量子干涉器件（SQUID）的非常靈敏的儀器，結果顯示懸臂和它的磁鐵像跳水板一樣振動，上下彎曲了約萬億分之一米。而11年前阿德勒計算的坍縮波函數可能產生的振動，差不多就是這個量級。
“我們可以看到一些無法解釋的噪音，” 維南特在描述他的實驗結果時說， “這與我們期望的由坍縮模型帶來的效應一致，但它也可能是由一種我們還沒有完全瞭解的效應導致的。” 維南特和同事們正在升級實驗系統，以期將實驗靈敏度提高至少10倍，甚至100倍。“這樣的話，我們要麼能證實真的存在什麼異常，要麼也可以斷定我們觀察到的並不是什麼有趣的東西。”
CSL等模型只是企圖統一這兩個尺度的初步嘗試。雖然它們並非完全成熟的理論，但它們最終可能幫助物理學家建立比量子力學更全面的描述現實的模型。“我的觀點是，量子力學需要做一些修正，” 阿德勒說，“我不明白這為什麼是個問題。牛頓力學曾在長達200年的時間中一直被認為是精確的，但它並不是。大多數理論都有一個成立範圍，在這個範圍之外它們就失效了。這時，我們就需要一個更廣泛的理論了。”
撰文：蒂姆·福爾傑（Tim Folger）
翻譯：馬宇翰，中國工程物理研究院北京計算科學研究中心博士研究生。
審校：孫昌璞，中國科學院院士、發展中國家科學院院士、中國工程物理研究院北京計算科學研究中心教授。他主要從事量子物理、數學物理和量子信息理論的研究。
本文由微信公眾號“環球科學”（ID：huanqiukexue）授權轉載
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編輯：蓲陽
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