作者丨李春生（書房記特約專欄作者）

近日，一條新聞引起全球轟動。耶魯大學最新發(fā)表在 Nature 上的一項研究表明，我們能夠計算出某個時間量子躍遷發(fā)生的概率，從而預測'薛定諤的貓'的命運。實驗首次捕捉到了躍遷中的量子系統(tǒng)，這意味著量子躍遷并非玻爾和海森堡所認為的完全隨機、瞬時發(fā)生的過程，而是更符合薛定諤的波函數(shù)理論。

問題是，如果量子躍遷并非玻爾和海森堡所認為的完全隨機、瞬時發(fā)生的過程，這意味著什么？更符合薛定諤的波函數(shù)理論意味著什么？好的，我們今天就徹底挖他個底兒朝天！

第一個問題，量子躍遷是怎么來的？

原子核是什么樣的？如何構(gòu)成？我們來看看都有哪些假設。［圖1］

2013年，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）在巴爾默公式的啟發(fā)下，提出了玻爾電子軌道模型，并提出了四個著名的假定：

1.行星模型：氫原子核外電子是處在一定的線性軌道上繞核運行的，正如太陽系的行星繞太陽運行一樣。

2.定態(tài)假設：氫原子的核外電子在軌道上運行時具有一定的、不變的能量，不會釋放能量，這種狀態(tài)被稱為定態(tài)。能量最低的定態(tài)叫做基態(tài)；能量高于基態(tài)的定態(tài)叫做激發(fā)態(tài)。

3.量子化條件：例如，氫原子核外電子的軌道不是連續(xù)的，而是分立的，在軌道上運行的電子具有一定的角動量（L=mvr，其中m為電子質(zhì)量，v為電子的速度，r為電子線性軌道的半徑）。

4.躍遷規(guī)則：電子吸收光子就會躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)，反過來，激發(fā)態(tài)的電子會放出光子，返回基態(tài)或能量較低的激發(fā)態(tài)；光子的能量為躍遷前后兩個能量之差。

玻爾認為，微觀粒子的狀態(tài)常常是分立的，所以從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的變化常常是跳躍式的。量子躍遷發(fā)生之前的狀態(tài)稱為初態(tài)，躍遷發(fā)生之后的狀態(tài)稱為末態(tài)。在外界作用下，任何一種量子力學體系狀態(tài)發(fā)生跳躍式變化的過程。電子在光的照射下從高(低)能級跳到低(高)能級，就是一種典型的量子躍遷過程，通常稱為能級躍遷。在原子狀態(tài)發(fā)生躍遷的同時，將放出(吸收)一個光子。量子躍遷的微觀變化形式在宏觀世界中不成立，其微觀的物理變化不同于宏觀。

簡單的說，就是軌道上的電了吸收一個光子，其運行軌道就躍高一級（離原子核更遠）；電子釋放出一個光子，其軌道下降一級（離原子核更近）。［圖2］

這個觀點極為激進、大膽又反直覺，這就是'量子躍遷'。許多量子力學的先驅(qū)認為量子躍遷是瞬時的。這就埋下了一個禍根。

這跟薛定諤的貓有什么關系呢？請稍等！故事還沒講完呢。

構(gòu)成哥本哈根詮釋的有玻爾的電子軌道模型、海森堡的不確定性原理（即測不準關系）及其在哲學意義上的擴展——（玻爾的）互補原理。

好，我們先聊聊不確定性原理

海森堡在創(chuàng)立矩陣力學時，對量子形象化的圖像采取否定態(tài)度，但卻在表述中仍然需要使用'坐標'、'速度'之類的詞匯，他認為這些詞匯已經(jīng)不再等同于經(jīng)典理論中的那些詞匯的意義。

海森堡假設：整個物理理論只能以可被觀測到的量為前提，只有這些變量才是確定的，才能構(gòu)成任何體系的基礎。當微觀粒子處于某一狀態(tài)時，它的力學量（如坐標、動量、角動量、能量等）一般不具有確定的數(shù)值，而具有一系列可能值，每個可能值以一定的幾率出現(xiàn)。當粒子所處的狀態(tài)確定時，力學量具有某一可能值的幾率也就完全確定。從電子發(fā)出的光子，會改變電子的動量，一個量的測量破壞了對另外一個量的測量，在量子力學中，測量不可避免地引起被測量對象的改變。

簡單地說，這個原理是說從原則上你不可能同時精確的測得電子的位置和動量，你對一個量的測量越準確，對另一個量的測量就越不精確。

如果由理論來決定我們能夠觀察到什么東西，那么，我們沒看到東西呢？讀者有沒有預感到將有什么事情會發(fā)生呢？開始擲骰子了？應該這樣說，不確定原理本質(zhì)是不追究測不準的原因，而只是接受能夠測量的結(jié)果，那就是，宇宙就是你看到的樣子，沒有為什么，為什么本身已經(jīng)成為了答案。

針對玻爾的電子軌道模型，海森堡認為：這一謬誤的癥結(jié)，在于人們試圖用一個編造出來的、電子沿軌道運行的模型來硬套越來越奇怪的實驗結(jié)果。我們必須忘掉軌道，把模型拋到腦后，然后完全基于觀測到的數(shù)據(jù)在腦海中構(gòu)筑純粹的數(shù)學公式。沒有人能夠看到在軌道上運行的電子，但是你可以看到它們發(fā)出的光。海森堡對軌道的厭惡顯而易見，因為確定性的軌道與測不準原理嚴重沖突。

讓人驚訝的是，波爾接受了海森堡的測不準原理，他對電子軌道模型做了修改，提出了互補原理。不久之后，電子云的概念被提出，電子軌道被電子幾率密度替代。［圖3］

互補原理

玻爾認為，電子是粒子還是波？那要看你怎么觀察。如果采用康普頓效應的觀察方式觀察，那么電子無疑就是個粒子（康普頓效應的本質(zhì)是散射的光的頻率發(fā)生了改變，實驗結(jié)果實際上支持波動說的觀點），如果用雙縫干涉實驗來觀察，那么電子無疑就是一個波。電子本來是粒子還是波并不重要，問題是觀察它們的方法。這就是波粒二象性。

按照哥本哈根解釋，白貓黑貓是什么顏色不重要，是白貓或是黑貓只有觀察了才有意義，這只'貓'具體是什么顏色只有觀察了才有意義，這就是玻爾互補原理的本質(zhì)。這樣說也不太準確，哥本哈根詮釋的精髓是這只貓既是白貓也是黑貓，具體是什么顏色的貓要看你怎么看它（不過，馬上這只貓就會變成又死又活的貓了）。當波恩把概率波和波粒二象性結(jié)合起來時就產(chǎn)生了戲劇效果。但很不幸，對人類來說，這不是玩笑，從此，貓?zhí)幱谟炙烙只畹臓顟B(tài)，直到你看見它，是死是活的判決才能生效。

哥本哈根解釋就此正式成型。在很長一段時間里，哥本哈根解釋代表了量子力學最正統(tǒng)的解釋。問題來了。按照'統(tǒng)一'后的哥本哈根解釋：

1.測量是哥本哈根詮釋的核心，測量行為'創(chuàng)造'了整個世界。例如，只要不觀測，月亮就處于存在與不存在的狀態(tài)（有趣的是，人擇原理必然推導出神擇原理，因為宇宙需要一個無處不在的有智能的觀測者以讓宇宙的每個角落同時保持存在）。

2.電子軌道躍遷和核衰變是不可控的和不確定的。

按照哥本哈根詮釋，宇宙處于一種不確定的狀態(tài)，這和經(jīng)典物理學處于嚴重的對立狀態(tài)。按照經(jīng)典物理學，宇宙是服從決定論的，就如拉普拉斯所說：理性能認識某一時刻所有令自然洋溢生機的力和組成其存在物的各自狀態(tài)，而且，假如理性足夠強大，將那些數(shù)據(jù)投入分析，那么它能將一切運動，從宇宙中最大的物體到最小的原子，都包羅在同一個公式里。對這樣的理性來說，沒有什么不確定的東西，將來與過去一樣，它都看得見。經(jīng)典物理學雖然衰落，但是，戰(zhàn)士并沒有死絕。馬上，薛定諤的貓就要登場了。

第一個反對者并不是薛定諤，而是量子力學的締造者之一的愛因斯坦。'上帝不與宇宙擲骰子！'早在1926年，愛因斯坦在寫給玻恩的信里寫道：量子力學令人印象深刻，但是一種內(nèi)在的聲音告訴我，它并不是真實的，這個理論產(chǎn)生了很多好的結(jié)果，可他并沒有使我們更接近老頭子的奧秘，我毫無保留的相信，老頭子是不擲骰子的。

有了愛因斯坦的開場白，主角終于登場了。薛定諤認為，根據(jù)哥本哈根詮釋，在沒有測量以前，一個電子的狀態(tài)是模糊不清的，處于各種可能性的混合疊加狀態(tài)。例如一個放射性原子，何時衰變是不可知的，是完全概率性的。只要沒有觀察，它便處于衰變與不衰變的疊加狀態(tài)，只有確實觀察測量后，它才隨機地選擇一種狀態(tài)，衰變，或是不衰變。做個不恰當?shù)谋扔?，在一百年前，在孩子出生前，人們無法分辨媽媽肚子里的孩子是男是女。如果按照哥本哈根詮釋，此時，孩子處于男孩或女孩的疊加狀態(tài)，或者說是不男不女的狀態(tài)。只有離開媽媽肚子出生后人們才能'看見'，才能確定是男孩或是女孩。當然，用這個例子來討論不確定性有些庸俗，也不能準確地解析不確定原理。如何表現(xiàn)一個原子在看不見的地方的狀態(tài)呢，薛定諤想起了一只貓。這位喜歡聚會的浪漫先生構(gòu)想一個裝有精巧、精密裝置的箱子，里面有只名叫薛定諤的貓（玩笑），箱子里有食物也有毒藥。毒藥瓶上有一個錘子，錘子由一個電子開關控制，電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動電子開關，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出里面的氰化物氣體，貓必死無疑。原子核的衰變是隨機事件，物理學家所能精確知道的只是半衰期——衰變一半所需要的時間。如果一種放射性元素的半衰期是一天，則過一天，該元素衰變的概率就少了一半，再過一天，就少了剩下的一半，永遠都是50%。但是，人們卻無法知道，它在什么時候衰變，只知道它衰變的幾率——也就是貓死亡的幾率。

打開箱子會產(chǎn)生兩種結(jié)果，1.死貓。原子衰變釋放一個阿爾法粒子時就會激發(fā)一連串的反應，釋放毒氣貓被毒死。2.活貓。原子沒有衰變，沒有連鎖反應，沒有毒氣，貓可以繼續(xù)'喵喵'叫。如果不揭開箱子，根據(jù)經(jīng)典物理學或我們在日常生活中的經(jīng)驗，在盒子里必將發(fā)生這兩個結(jié)果之一，貓要么活著要么死亡，這是它的兩種本征態(tài)。但是，根據(jù)哥本哈根詮釋，存在一個中間態(tài)，貓可以既不死也不活，我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道貓是死是活。如果沒有揭開蓋子進行觀察，我們永遠也不知道貓是死是活，貓?zhí)幱诤驮右粯拥寞B加狀態(tài)，是一只又死又活的貓。

請注意！

薛定諤的貓是用來質(zhì)疑量子力學哥本哈根詮釋的荒謬的！

薛定諤的貓是用來質(zhì)疑量子力學哥本哈根詮釋的荒謬的！

薛定諤的貓是用來質(zhì)疑量子力學哥本哈根詮釋的荒謬的！

現(xiàn)在，薛定諤的貓被扭曲成證明量子世界奇異性的教材，原因是目前粒子說處于理論物理學的主導地位，掌握著話語權。必須說明的是，在普通人眼里，物理學是一個整體。但是，事實并非如此。我們生存在同一個宇宙，卻存在著4種互不相容的物理理論解釋體系。對專業(yè)人士來說，理論物理圈也存在一個'鄙視鏈'，相對論學家和量子力學專家認為經(jīng)典物理學是一個落后的理論（注意不是說是錯誤的理論），而弦理論學家又認為相對論和量子力學終將會被弦理論所取代。也就是說，相對論和量子力學是為替代經(jīng)典物理學而存在的，而弦理論也為替代相對論和量子力學而提出的。不了解這點，即使是有碩士、博士頭銜也沒意義，因為根本就沒入門兒。

需要注意的是，存在兩種量子力學，一種是波動說的量子力學（是經(jīng)典物理學的延伸），即德布羅意、薛定諤的物質(zhì)波理論和玻姆的隱變量理論；一種是粒子說的量子力學，由玻爾、海森堡和玻恩的哥本哈根解詮釋、費曼的路徑求和解釋、埃弗雷特的平行宇宙理論、惠勒的延遲實驗解釋，多歷史解釋、多維度解釋和多伊奇的超級大腦解釋等互不相融的解釋構(gòu)成。事實上粒子說的量子力學所涉及的問題，波動說的量子力學都有相對應的解釋。例如，1929年，德布羅意在他的諾貝爾獲獎演講中強調(diào)了物質(zhì)波理論的意義，他說：'可見，描述物質(zhì)的性質(zhì)也像描述光的性質(zhì)一樣，要同時涉及波和粒子。不能再認為電子是電的單個粒子，它應當是和一個波締合的，而且這個波并非虛構(gòu)，它的波長可以測量，它的干涉現(xiàn)象可以預言。德布羅意設想的氫原子示意圖。電子是駐波（波狀實線），實環(huán)線表示電子的軌道，虛波線表示非駐波將由于干涉而消失。［錄自彼得·柯文尼，羅杰·海菲爾德：《時間之箭》，湖南科學技術出版社，2008年，130頁]［圖4］

薛定諤認為，電子繞核運動是一種周期現(xiàn)象，其形式與德布羅意對量子化條件的'相波諧振'解釋驚人相似。1925年，薛定諤在《關于愛因斯坦的氣體理論》中提出：舍棄粒子模型，不是把氣體當作單個粒子的集合，而是應用1910年德拜推導普朗克輻射定律的方法，用經(jīng)典統(tǒng)計把氣體作為具有特征頻率的振動模式的疊加，并首次運用德布羅意的相波理論計算每個模式的振動頻率，得出與愛因斯坦粒子氣體模型相符的結(jié)果……薛定諤不再把'相波'作為伴隨粒子運行出現(xiàn)的一種周期現(xiàn)象、一種假想的波，而認為這種波是物理上真實的、實在的波——物質(zhì)波，把粒子還原為相波的波包——'物質(zhì)波理論'；不再把這種物質(zhì)波作為原子結(jié)構(gòu)中繞核運行、形成穩(wěn)態(tài)軌道的運行處理，而看作是為邊界條件特征化的駐波，從而克服了高曲率折射困難——'駐波圖像'；而最為關鍵的是，由于上述兩點進展，薛定諤很自然地立即著手去尋找支配這種實在的波、特別是電子駐波的波動方程，從而踏進了波動力學理論框架的門檻。［E·薛定諤，《薛定諤講演錄》，北京大學出版社，2007年，第148頁］ ［圖5］

需要注意的是，光子與電子產(chǎn)生相干，電子軌道產(chǎn)生躍遷，這個所謂的相干性是粒子說的解釋，而波動說稱之為同頻率干涉疊加現(xiàn)象，即電子波吸收一個光波，電子的環(huán)狀駐波'半徑'增大，軌道'高度'變大；電子駐波釋放一個光波，電子駐波的軌道縮小。我們可以把薛定諤的這個駐波想像為一個旋轉(zhuǎn)的呼啦圈（人是原子核），所謂的電子躍遷是呼啦圈變大變小，即大的呼啦圈對應高能級軌道，反之對應低的能級軌道。關鍵是，電子環(huán)狀駐波因為同頻率干涉吸收一個同頻率的光波后，駐波'直徑'變大，軌道高度上升一級，反之亦然。

回到我們最初的問題。如果量子躍遷并非玻爾和海森堡所認為的完全隨機、瞬時發(fā)生的過程，這意味著什么？更符合薛定諤的波函數(shù)理論意味著什么？我們知道，薛定諤的波函數(shù)理論表明電子是一種波。因此，耶魯大學的實驗可以證明電子是一種波，這種電子軌道躍遷是電子波的躍遷。或者說，只有電子是波的情況下，才會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，但是很遺憾，不會有人承認這個事實。

事實上，早就有實驗可以證明電子軌道躍遷不是隨機和瞬時的，那就是光電效應。我們知道，合適頻率的光的照射，電子會產(chǎn)生軌道躍遷而飛出原子核，這是一種人為地制造的一種現(xiàn)象。還有，我們常說的光電效應是外光電效應，還有一種內(nèi)光電效應：電子吸收一個光子，電子軌道躍遷到一個新的軌道'高度'；而電子釋放一個光子，電子軌道向下躍遷到一個更'低'的軌道。事實上，我們早就可以人為地制造電子的軌道躍遷現(xiàn)象了。

我們早就可以人為低制造電子的軌道躍遷現(xiàn)象了！

我們早就可以人為低制造電子的軌道躍遷現(xiàn)象了！

但是，客觀現(xiàn)象和客觀事實就擺在那里，采納哪一個實驗結(jié)果或解釋，取決于波動說和粒子說誰處于上風狀態(tài)！誰主導著話語權！

采納哪一個實驗結(jié)果或解釋，取決于波動說和粒子說誰處于上風狀態(tài)！誰主導著話語權！

采納哪一個實驗結(jié)果或解釋，取決于波動說和粒子說誰處于上風狀態(tài)！誰主導著話語權！

粒子說的量子力學并不能自洽地解釋宇宙的客觀現(xiàn)象和疑問，并不能把所有的事物都'量子化'，即粒子化（例如無法對波長較長的電磁波（例如紅外和無線電波）進行量子化），無法解釋大家熟悉的智能手機和偏光太陽鏡的原理。因為粒子說的解釋不符合客觀邏輯，所以理論存在不可救藥的奇異性。薛定諤就曾嘲笑一些物理學家只會埋頭在某個理論里。作為一個學者應全方位地了解這個世界。需要學習天文、地理、文學、歷史等等，才不會脫離客觀事實弄出一些刻舟求劍、掩耳盜鈴和指鹿為馬的所謂理論出來。

其實，爭來爭去，就是看誰能夠邏輯自洽地解釋客觀現(xiàn)象，優(yōu)勝者才稱得上是終極理論。但是，只能遺憾地告訴大家，光電效應和這個實驗并不能改變?nèi)藗儗α孔恿W的看法，在未來很長一段時間，（粒子說的）量子力學將仍然是一個'完全正確'的理論，雖然這個理論的解釋完全脫離了客觀現(xiàn)實。

一個新的科學真理照例不能用說服對手，等他們表示意見說'得益匪淺'這個辦法來實行。恰恰相反，只能是等到對手們漸漸死亡，使得新的一代開始熟悉真理時才能貫徹。

——普朗克定律

《人類簡史》的作者尤瓦爾·赫拉利在2017年指出：'尊重知識、聽取學者意見很好，但發(fā)展到崇拜任何人的程度都很危險，包括崇拜學者。一個人一旦被推崇為先知或權威，他（她）自己都可能信以為真，進而變得驕傲自大，甚至陷入瘋狂。對追隨者而言，一旦他們信奉某人為權威，便會自我設限，停止努力，只期待著偶像來告訴他們?nèi)繂栴}的答案和解決方法。即使答案是錯誤的、方法是糟糕的，他們也會通盤接受。'智慧從懷疑開始，真正的科學精神是懷疑與批判。終極理論不會是一個全新的理論，它就藏在現(xiàn)有的理論之中，當我們以客觀邏輯為工具，就能在錯綜復雜的觀點中找出宇宙真實的脈絡。

先賢們幾千年積攢下來的思想成果滋養(yǎng)了我們的智慧，他們點亮了一個又一個燈塔，指引著人類的發(fā)展方向。沒有人的觀點全部正確，也沒有人的觀點一無是處。有些觀點后來被事實證明是一個個錯誤，那也是他們在錯誤的地方樹立起了一個個指引正確航道的航標燈。

和《七堂極簡物理課》這類無立場解讀的科普書不同的是，《一只大象——體系與體系的對話》這本書以旁觀者的角度對物理學發(fā)展史進行了重新梳理，還原了一些不為人知或被扭曲的歷史細節(jié)，提醒人們注意'證實性偏見'的危害性。受伽利略的《關于托勒密和哥白尼，兩大世界體系的對話》的啟發(fā)，這本書也借四個虛擬人物的對話來闡述四大物理理論針鋒相對的觀點。書中引用均來自權威專著，并采用頁下注，這也是能夠通過專家審稿并獲準出版的原因之一。書中還用一些通俗易懂的小寓言來解析復雜的物理理論，相對來說比較通俗易懂。這本書并非嚴謹?shù)膶W術著作，僅為讀者提供一個了解物理學的新視角，希望能夠給喜愛物理學的同學們帶來啟發(fā)。