量子力学对我们究竟有何现实意义？科学家：还需要进一步研究

推翻伟大科学家艾萨克·牛顿对光的本质的观点只需要一个演示，而且这个演示还非常简单。1803年11月，英国物理学家托马斯·杨(Thomas Young)在伦敦对英国皇家学会(Royal Society)的成员们说，“无论在哪里，只要有阳光，这个演示都可以非常轻松地重现。”杨当时描述的是现在被称为双缝实验的东西，他并没有过分夸张。他提出了一个优雅、明确且朴素的实验来展示光的波状性质，并以此反驳了牛顿的光是由微粒或粒子构成的理论。

但20世纪初量子物理学的诞生清楚地表明，光是由微小的、不可分割的单位，即能量量子构成的，我们称之为光子。当用单个光子或甚至单个物质粒子(如电子和中子)进行杨的实验时，这都会是一个难以理解的难题，它引出了关于现实本质的基本问题。有些人甚至用它来论证量子世界是受人类意识影响的，这在宇宙本体论中让我们的大脑在其中有了一个中点站和位置。但这个简单的实验真的能证明这一点吗?

在现代的量子形式中，杨的实验涉及到将单个的光粒子或物质通过光束的形式发射到有两条裂缝或两个切割开口的不透明屏障，在屏障的另一边是一个记录粒子到达的屏幕(比如，光子的感光板)。常识告诉我们光子应该穿过一个狭缝或者另一个狭缝，然后在每个狭缝后面堆积起来。但是它们没有，相反，它们会进入屏幕的某些部分，而避开其他部分，形成光和暗交替的波段。这些所谓的干涉条纹，会在两组波重叠时产生。当一个波的波峰与另一个波的波峰重合时，你会得到建设性的干涉(亮带)，当波峰与波谷重合时，你会得到破坏性的干涉(暗带)。

但是在任何时候都只有一个光子穿过仪器，就好像每个光子同时穿过了两条狭缝并与自身干涉一样，这是不合常理的。

然而，从数学上讲，通过这两个狭缝的不是物理粒子或物理波，而是一种称为波函数的东西——一种抽象的数学函数，它代表光子的状态(在现在这种情况则中是它的位置)。波函数就像波一样。它撞击两个狭缝，新的波则从另一边的两条狭缝发出，扩散并最终相互干扰。组合波函数可以用来计算可能在哪里找到光子的概率。

光子很有可能在两个波函数波峰干涉的地方被发现，而且不太可能在波谷干涉的区域被发现。而记录粒子屏幕的测量——在这种情况下则是波函数与照相底板的相互作用——被认为会使波函数“坍缩”，它在测量前被传播开来，在测量时会在光子出现的某个地方达到峰值。

波函数的这种明显由测量引起的坍缩是量子力学许多概念难题的根源。在坍塌之前，没有办法确定光子会落在哪里;因为它可以出现在任何非零概率的地方。无法绘制光子从源头到探测器的轨迹。光子并不是真实的，不像从旧金山飞往纽约的飞机那样真实。Werner Heisenberg等人将数学解释为：只有被人类观察到，现实才存在。“客观真实世界的最小部分就像石头或树一样是客观存在的，不管我们是否观察到它们……这是不可能，”他写道。约翰·惠勒(John Wheeler)也用了双缝实验的一个变体来论证：“没有一个基本量子现象是一种现象，直到它成为一种被记录下来(被观察到、不可磨灭地记录)的现象。”

但是量子理论完全不清楚什么是构成了这种“测量”。它只是简单地假设测量设备必须是经典的，而没有定义经典与量子之间的界限在哪里，因此为那些认为导致坍缩需要人类意识参与的人敞开了大门。去年5月，亨利·斯塔普(Henry Stapp)和他的同事在论坛上提出，双缝实验及其现代变体提供了证据，证明想要理解量子领域，那么“有意识的观察者可能是不可或缺的”，超个人意识是物质世界的基础。

但这些实验并不能作为这种说法的经验证据。在单光子的双缝实验中，我们所能做的就是验证数学的概率预测。如果这些预测在通过双缝发送数万个相同光子的过程中得到证实，该理论宣称，由于一种被称为测量的不明确过程，每个光子的波函数都会崩溃。

此外，还有其他解释双缝实验的方法。以德布罗格利-玻姆理论为例，该理论认为现实既是波也是粒子。光子始终以确切的位置朝向双缝，并穿过一条缝或另一条缝;所以每个光子都有一个轨道，光子利用导波，导波穿过两个狭缝，干涉然后引导光子到一个有建设性干涉位置。

1979年，伦敦伯克贝克学院的Chris Dewdney和他的同事模拟了该理论对粒子通过双缝轨迹的预测。在过去的十年里，实验者们已经证实了这种轨迹的存在，尽管他们使用了一种有争议的技术——弱测量。尽管存在争议，但实验表明德布罗格里玻姆理论仍然是量子世界行为的一种解释。最重要的是，这个理论不需要观察者、测量或者非物质意识。

所谓的坍缩理论也一样，这种理论认为波函数是随机坍缩的：量子系统中粒子的数量越多，坍塌的可能性就越大。观察者仅仅发现了结果。马库斯·阿恩特(Markus Arndt)在奥地利维也纳大学(University of Vienna)的团队一直在往双缝发送越来越大的分子来测试这些理论。坍缩理论预测，当物质的粒子变得比某个阈值更大时，它们就不能保持可以在时穿过两条缝的量子叠加状态，这将破坏干涉图样。Arndt的团队已经通过双缝发送了超过800个原子的分子，他们仍然看到了干涉的现象，对这个阈值的搜索仍在继续。

罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)有他自己的坍缩理论，在这种理论中，由于引力不稳定，叠加状态中的物体的质量越重，就会越快坍缩到一种状态或另一种状态。再次说明，这是一个独立于观察者的理论，并没有意识的参与。加州大学圣巴巴拉分校的Dirk Bouwmeester正在用双缝实验的一个版本来测试彭罗斯的想法。

从概念上讲，这个想法不仅仅是把一个光子置于可以同时穿过双缝的叠加状态中，而且还把一个狭缝置于两个同时存在的位置的叠加状态中。据彭罗斯说，在光子飞行时，移位的狭缝要么保持叠加状态，要么坍塌，两种结果都会导致不同类型的干涉模式。坍塌将取决于裂缝的质量。Bouwmeester从事这项实验已有十年之久，也许很快就能证实或驳斥彭罗斯的说法。

如果没有别的情况发生的话，这些实验将表明，我们还不能对现实的本质提出任何主张，即使这些主张在数学或哲学上具有充分动机。考虑到神经科学家和精神哲学家不同意意识的本质，在最好的情况下，主张认为意识的本质破坏了波的功能是不成熟的，在最坏的情况下，则可以是误导的和错误的。