平行宇宙:“量子世界不需要觀察者”，哥本哈根：“你明明在偷偷藏人！”

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我（譯者注：本文作者）從來不是體育迷，更別說狂熱粉了，但這次我總算體會到那種心情了。我正在讀牛津大學物理學家弗拉季科?韋德拉爾（Vlatko Vedral）的新書《通往新現實的入口》（Portals to a New Reality），看著看著竟對著書頁大喊大叫，活像體育迷對著電視咆哮。當韋德拉爾寫道，量子力學的哥本哈根詮釋“包含了大量關于世界由何構成、如何理解其最基本過程的誤解”時，我感覺血壓飆升；當他宣稱“量子物理不需要觀察者”時，我猛地從座位上跳起來：“有種當著尼爾斯?玻爾（Niels Bohr，譯者注：量子力學的奠基者之一，哥本哈根學派創始人）的面說這話??！”

韋德拉爾的書只是近期眾多同類書籍中的一本 —— 這些書把玻爾、沃納?海森堡（Werner Heisenberg）及其同事描繪成籠罩在量子物理領域的卡通反派，讓這一理論變得比實際上要玄乎得多。韋德拉爾本質上是“多世界戰隊”的一員（盡管他不喜歡這個名字），這讓他與堅持“觀察者扮演核心角色”的“哥本哈根戰隊”站到了對立面。在哥本哈根詮釋中，必須有觀察者才能得到測量結果 —— 粒子要么在這里、要么在那里；薛定諤的貓要么活著、要么死了；而在多世界詮釋中，從來沒有單一結果，只會在一個世界里有活貓，另一個世界里有死貓。既然所有可能的結果都會發生，觀察者就沒什么特殊作用了。韋德拉爾寫道：“量子物理中的測量和其他任何量子過程沒區別，僅此而已?！被蛘?，就像我曾聽物理學家布賴恩?格林（Brian Greene，另一位多世界詮釋支持者）說的，量子測量“不過是物質與物質的相互作用”。

這種看似務實的論調（如果“相信存在無數個分支平行宇宙，每個宇宙里都有一個不同版本的你在經歷所有可能發生的事”也能算“務實”的話），本意是想比他們描繪的“哥本哈根卡通形象”更科學、更穩重 —— 在他們口中，哥本哈根詮釋認為“沒人觀察時，現實就不存在”。

那么問題來了：每當有一種量子力學詮釋宣稱要把觀察者“驅逐出境”，最終都會把觀察者藏在理論的某個角落，或者偷偷從后門放進來。要是開啟“垃圾話”模式，旁觀者可能會建議這些理論家：把你們的無數個世界打包進無數個行李箱，乖乖爬回丹麥去（注：哥本哈根學派起源于丹麥）。

哥本哈根詮釋的真實觀點

下面才是哥本哈根詮釋的真實觀點：當兩個物體（比如測量裝置和它要測量的對象）相互作用時，我們無法把這個組合系統整齊地拆分回兩個獨立物體。它們是糾纏的、交織的。這要歸功于普朗克常數的有限值 —— 它是“作用量”的最小可能單位（作用量是物理學中衡量系統勢能與動能隨時間轉換的物理量）。由于普朗克常數不能再分割，它給這種相互作用賦予了一種“顆粒感”，讓我們無法以明確的方式拆分它，沒法確定哪部分屬于哪一方。事實上，它甚至讓我們不能認為這兩個物體曾經獨立存在過。我們并非先有物體，再發生相互作用；而是先有相互作用，之后才不得不將其拆解為“物體”—— 但根本沒有清晰的拆分方式。

這和相對論里的情況很像：由于光速是有限的，不存在一種 “最優方式” 能把時空拆分成空間和時間。而在量子理論中，由于普朗克常數是有限的，不存在一種“最優方式”能把相互作用拆分成任何獨立部分。要得到具體的測量結果 —— 比如粒子位置為 x，或動量為 p —— 我們必須決定把相互作用的哪部分稱為“粒子”，哪部分稱為“測量儀器”。既然大自然沒有給出唯一的、絕對正確的劃分方式，我們只能憑感覺來，而且要記住：我們得到的結果并非揭示了世界預先存在的某個事實，而是相對于測量環境和我們這種任意劃分的決定，創造了一個新事實。

所以當“無觀察者戰隊”說量子測量“不過是物質與物質的相互作用”時，他們的意思是：我們不用做這種劃分。粒子撞上測量儀器，兩者糾纏在一起，故事就此結束。但這絕不可能是故事的結局，甚至連開端都算不上。因為如果存在的只是一個巨大的、糾纏的“混沌體”，誰來決定哪部分是“粒子”、哪部分是“測量儀器”呢？如果實驗開始前，你就已經從世界中劃分出一塊并貼上“測量儀器”的標簽，那你一開始就偷偷把觀察者塞進來了；如果沒有 —— 如果只有糾纏態 —— 那根本就不會有任何測量結果，無論在這個世界，還是其他任何世界。

退相干

這時候，看臺上的多世界詮釋支持者可能會開始高喊“退相干！”（Decoherence）。但 退相干—— 也就是量子特性泄露到更大范圍的世界中，留下“客觀物體”假象的過程 —— 正如你猜到的，依然需要觀察者。是觀察者將世界劃分為“研究系統”和“環境”（環境被定義為觀察者選擇忽略的世界部分），只有這樣，系統中的量子相關性(quantum correlations)才能悄悄溜進復雜的環境中，消失在視野里。要是觀察者決定也監控環境，退相干就不會發生了。

這就是“無觀察者”論調的癥結所在：你沒法從內到外地講述這個故事。你不能先假定存在一個已經拆分成空間和時間、包含獨立系統、測量儀器和環境的世界，再談論物體相互作用和糾纏 —— 因為在“無觀察者”的故事里，這些東西一開始就無法定義。作為多世界詮釋的支持者，你甚至無法不引入觀察者就定義“世界”或“波函數分支”。這就是為什么美國物理學家休?埃弗萊特（Hugh Everett）提出如今被稱為“多世界詮釋”的理論時，并沒有過多談論“世界分支成平行現實”，而是更多地提到“觀察者分支成觀察到或未觀察到不同結果的平行狀態”—— 這也是韋德拉爾不喜歡“多世界”這個名字的原因。

那韋德拉爾為什么這么急于把觀察者從量子物理中驅逐出去呢？他研究的是量子信息論，設計的實驗旨在證明：我們通常在微觀系統中觀察到的量子效應，在更大的尺度上依然存在 —— 比如分子、病毒，甚至人類身上。但他說，要讓這一點成立，觀察者就不能扮演特殊角色；他們必須和其他所有事物一樣，用量子力學的方式來描述。韋德拉爾寫道，當我們“認真對待‘世界比大多數物理學家意識到的更具量子特性’這一觀點時，我們終將在物理學上取得進展，最終把量子力學與我們對時空和引力的理解統一起來”。但他認為，哥本哈根詮釋及其“觀察者”概念，正在阻礙這一進程。

韋德拉爾寫道：“哥本哈根詮釋極大地強化了如今物理學界的共識 ——量子物理太‘怪異’，無法在宏觀尺度上成立，而且宏觀層面的量子效應無法通過實驗獲得?！?/p>

這完全是一種誤解。玻爾早就明確表示，宏觀測量儀器，甚至觀察者本身，都始終可以用量子力學來描述。玻爾寫道：“量子特性同樣影響對觀察主體和觀察對象的描述”，同樣，“在普通物理意義上，獨立的現實既不能歸因于現象，也不能歸因于觀察主體”。量子特性貫穿始終。哥本哈根詮釋的核心從來不是否認這一點，而是要解釋：既然如此，我們為什么依然能得到明確的測量結果？我坐在這里，杯子在那里，不存在半死半活、還在到處走的家貓。

另一方面，多世界詮釋無法解釋“為什么事物會呈現出具體形態”。因為沒有觀察者，剩下的唯一要素就是單一的、宇宙級的波函數 —— 一個巨大的糾纏態，從技術上講，它只是一個在抽象數學虛空中永恒旋轉的矢量。什么都不會發生，里面什么都沒有：沒有粒子，沒有物理學家，沒有杯子，沒有貓；沒有測量結果的假象，沒有世界的分支；沒有可看的東西，也沒有人去看。因此，拋棄觀察者，就等于拋棄了經驗科學。不管你對那位丹麥物理學家（指玻爾）有什么看法，這都是一個奇怪的舉動 —— 畢竟，你用來假定這個“永恒矢量”存在的理論本身，就是通過實驗和觀察得出的。

當然，韋德拉爾希望自己的實驗能得到結果，所以他不得不像所有人一樣，偷偷把觀察者塞回理論中。他向我們保證這沒什么大不了的，不會威脅到現實固有的量子特性。他堅持認為，我們在哪里劃分“觀察者”和“被觀察對象”的界限，“完全是任意的”。嗯，沒錯 —— 這正是哥本哈根詮釋的核心觀點。這些劃分并非客觀存在，而是觀察者必須做出選擇，從而塑造出世界的 “分割界限”。

但“選擇”這類詞匯讓物理學家感到不安，所以他們通過把哥本哈根詮釋描繪得比實際更神秘來自我安慰。他們總愛翻著白眼說：“沒人看的時候，月亮肯定還在那兒啊。”

月亮在不在？

咱們就把“月亮問題”說清楚吧。事實是：沒人觀察時，我們不能說月亮“存在”；但同樣，我們也不能說月亮“不存在”。這不是說天空本來是空的，直到有人抬頭看，月亮才突然冒出來 —— 而是說，我們無法談論作為“獨立物體”的月亮，因為量子理論不承認獨立物體的存在，只承認我們可以劃分為“月亮”的測量結果。玻爾寫道：“我們不再能談論物理物體的自主行為，這種分析在原則上是被排除的。”

玻爾說，我們對“事物”—— 無論是原子、椅子還是行星 —— 的概念，都植根于一個假設：“我們可以清晰地區分物體的行為和觀察手段”，但在量子力學中（由于普朗克常數的有限值），這一點是做不到的。

所以問題不在于：世界上的物體在沒人觀察時都在做著怪異的量子行為，直到遇到觀察者的嚴厲目光，才奇跡般地恢復“正?！薄Ｕ嬲膯栴}在于：我們那種“世界本來就被拆分成一個個獨立物體”的整個認知框架，從一開始就是錯的。哥本哈根詮釋的反對者說它“激進”，這沒錯 —— 但原因并非他們聲稱的那樣。它的激進之處不在于“賦予觀察者的意識創造現實的力量”，而在于它動搖了自 17 世紀現代科學起源以來，我們組織世界的核心分類方式。

韋德拉爾似乎認為，只要我們能重新設計大腦，直接感知世界的量子特性，就能回到那些傳統分類 —— 回到一個“物質與物質相互作用”的完全客觀的世界。韋德拉爾建議：“我們需要將專門設計的微芯片與大腦現有的機制結合起來，這些微芯片能執行這些量子測量”，并指出這將帶來“一種比藥物更接近基本現實的體驗”。

當然，在我們新的量子感知生效之前，我們依然需要觀察者來定義“大腦”“微芯片”和“測量”這些物體。但那之后呢？我們會以不同的方式劃分世界嗎 —— 定義不同的物體，模糊它們的邊界，重新繪制我們自身的界限？這確實很奇妙 —— 但本質上依然符合哥本哈根詮釋的核心精神。

量子貝葉斯主義

我同意韋德拉爾的一點是：還有很多深刻的問題有待解答，目前還沒有任何一種量子力學詮釋真正“贏得這場比賽”。所以，無論在哪個宇宙，你都不會看到我穿多世界戰隊的隊服，但我也不會為哥本哈根戰隊搖旗吶喊。

就我個人而言，我支持 QBism（量子貝葉斯主義，Quantum Bayesianism 的縮寫）。這種詮釋起源于哥本哈根，經由得克薩斯州發展，最終在波士頓等地落地生根。其“戰隊副隊長”克里斯托弗?富克斯（Christopher Fuchs）重視哥本哈根詮釋中深刻的形而上學啟示 —— 我們不能把自己看作 “獨立于現成的、可第三人稱描述的客觀世界之外的旁觀者”，并將觀察者及其決策置于核心位置。

量子貝葉斯主義者在哥本哈根詮釋的基礎上，加入了決策論、個人主義貝葉斯概率、量子信息論和早期美國實用主義哲學的元素。正如富克斯所說：“我們最終得到了一種與玻爾的詮釋大相徑庭的量子理論詮釋，但它的根源始終清晰可見?！盦Bism的核心是：主體通過作用于世界、劃分現實，參與到宇宙中源源不斷的新奇與創造力的涌動中 —— 而這個宇宙本身就在不斷生成新的可能。

但 QBism 仍是一個未完成的項目，這意味著我還在“看比賽”，還在對著“電視”大喊大叫。觀察者是通過自己的行動把自身從世界中“劃分”出來的嗎？這就是“觀察者”的本質嗎？不同的觀察者沿著不同的“界限”劃分世界，又該如何協調彼此的差異？玻爾曾對海森堡說：“我相信，原子物理的發展教會我們的最重要的一點，就是我們必須學會更微妙地思考?！蔽蚁?，這不僅是量子物理的“藝術”，也是它的“魅力所在”。

作者：Amanda Gefter

翻譯：姬子隰

審校：7號機

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今天我們將送出由江蘇鳳凰科學技術出版社提供的《天體閃耀時：韋布望遠鏡太空探索全記錄》。

在這本《天體閃耀時：韋布望遠鏡太空探索全記錄》中，大英帝國勛章得主、韋布核心參研科學家瑪吉博士以一線親歷者視角，帶領讀者深入史上最強大空間望遠鏡的探索之旅。書中生動記述了韋布望遠鏡從設計、發射到太空綻放的史詩征程，并透過其銳利的紅外之眼，為我們展開一幅前所未見的宇宙畫卷：恒星如何在“創生之柱”中誕生？系外行星大氣中是否存在生命信號？如何捕捉最古老黑洞的蛛絲馬跡？書中融合工程奇跡、科學突破與上百幅高清深空影像，以震撼的視覺語言重塑人類對宇宙起源、演化與未來的認知。

【互動問題：如果三個 “量子戰隊”（哥本哈根、多世界、QBism）來 “拉票”，你最吃哪一套說法？為什么？】

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編輯：姬子隰

翻譯內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場