深度長文：微觀世界里，觀測為什么會(huì)導(dǎo)致“波函數(shù)”坍縮？

量子世界里，觀測為什么會(huì)導(dǎo)致“波函數(shù)”坍縮？簡單回答就三個(gè)字：不知道。

等等，不要因?yàn)檫@三個(gè)字就轉(zhuǎn)身離開，甚至開始“罵街”。

對于量子力學(xué)，科學(xué)家們不知道的太多了，不僅僅有波函數(shù)坍縮。從量子糾纏的“超距作用”到量子隧穿的“穿墻術(shù)”，從疊加態(tài)的詭異存在到量子測量的不可預(yù)測性，量子世界的每一個(gè)角落都藏著人類尚未破解的謎團(tuán)。

但是對于波函數(shù)坍縮，科學(xué)家們目前了解的程度比普通人要更多、更清楚——他們雖然不知道“為什么會(huì)坍縮”，卻清楚“坍縮會(huì)發(fā)生什么”“如何描述坍縮”，更清楚這個(gè)看似簡單的現(xiàn)象，背后牽扯著量子力學(xué)的整個(gè)理論根基，甚至關(guān)乎人類對“現(xiàn)實(shí)”本身的定義。

量子力學(xué)，本來就是一個(gè)完全違背我們傳統(tǒng)認(rèn)知的學(xué)科。

我們生活在一個(gè)宏觀世界里，在這里，萬物皆有確定的狀態(tài)：桌子就在墻角，蘋果會(huì)落地，汽車有明確的速度和位置，哪怕我們不去看它、不去關(guān)注它，它的存在和狀態(tài)也不會(huì)發(fā)生改變。

這種“客觀現(xiàn)實(shí)獨(dú)立于觀測者”的認(rèn)知，早已深深烙印在我們的思維里，成為我們理解世界的底層邏輯。但量子世界的規(guī)則，卻徹底打破了這套邏輯——微觀粒子的行為，完全超出了我們的想象，甚至超出了我們的語言描述能力。

雖然人類對量子力學(xué)的探索已經(jīng)有一百多年的歷史，從1900年普朗克提出量子假說，揭開量子時(shí)代的序幕，到愛因斯坦提出光量子理論，玻爾建立原子的量子模型，海森堡提出不確定性原理，薛定諤寫下量子力學(xué)的核心方程，再到后來量子糾纏、量子隧穿等現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，人類一步步搭建起量子力學(xué)的理論框架，并用它解釋了無數(shù)宏觀世界無法解釋的物理現(xiàn)象，推動(dòng)了半導(dǎo)體、激光、量子通信、量子計(jì)算等一系列革命性技術(shù)的發(fā)展。

但至今，我們都無法弄清楚量子力學(xué)的底層邏輯到底是什么——我們知道它“有用”，知道它能精準(zhǔn)預(yù)測微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和觀測結(jié)果，卻不知道它“為什么是這樣”，不知道量子世界的本質(zhì)到底是什么。

量子世界里的微觀粒子，與我們平時(shí)看到的宏觀物體的行為特征有本質(zhì)不同。

最核心的區(qū)別，就在于“不確定性”：我們并不能同時(shí)描述出微觀粒子準(zhǔn)確的位置和速度信息，這不是因?yàn)槲覀兊挠^測儀器不夠精密，也不是因?yàn)槲覀兊臏y量方法不夠先進(jìn)，而是微觀粒子本身就不具備同時(shí)確定的位置和速度——這就是海森堡不確定性原理的核心內(nèi)容。

我們只能用概率去描述微觀粒子的狀態(tài)，而這種概率并非“我們不知道所以用概率代替”，而是微觀粒子本身就處于一種“概率疊加”的狀態(tài)。我們可以用概率波來描述這種狀態(tài)，而這里的概率波，其實(shí)就是波函數(shù)。

很多人對波函數(shù)存在誤解，認(rèn)為它是一種“真實(shí)存在的波”，就像水波、聲波一樣，可以被我們直接觀測到。

但實(shí)際上，波函數(shù)是一種抽象的數(shù)學(xué)工具，它本身并不能被直接觀測，我們能觀測到的，只是波函數(shù)所描述的量子態(tài)在觀測后呈現(xiàn)出的具體結(jié)果。

量子力學(xué)中有很多基本公設(shè)，這些公設(shè)就像數(shù)學(xué)中的公理一樣，不需要被證明，是構(gòu)建整個(gè)量子力學(xué)理論框架的基礎(chǔ)，它們可以用來完備地描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而波函數(shù)，就是這些公設(shè)中最核心的概念之一——它可以完全定義微觀粒子的所有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也就是量子態(tài)。簡單來說，只要知道了一個(gè)微觀粒子的波函數(shù)，我們就可以知道這個(gè)粒子所有可能的狀態(tài)，以及觀測到這些狀態(tài)的概率。

而研究微觀粒子的量子態(tài)時(shí)，不可避免地要進(jìn)行觀測——畢竟，科學(xué)研究的本質(zhì)就是通過觀測來獲取信息、驗(yàn)證理論。

也就是說，當(dāng)我們觀測量子系統(tǒng)時(shí)，到底會(huì)看到什么樣的結(jié)果？我們觀測微觀粒子的行為時(shí)，會(huì)觀測到微觀粒子的速度、位置、角動(dòng)量、能量等各種信息，這些信息統(tǒng)稱起來，就是微觀粒子的量子態(tài)信息。

但問題就出在這里：當(dāng)我們沒有觀測的時(shí)候，微觀粒子處于一種“疊加態(tài)”，它的波函數(shù)是連續(xù)的、確定的，遵循著薛定諤方程不斷演化；可一旦我們進(jìn)行觀測，這種連續(xù)的波函數(shù)就會(huì)瞬間“坍縮”，從無數(shù)種可能的疊加態(tài)，變成一種確定的、單一的狀態(tài)——這就是波函數(shù)坍縮。

其實(shí)，量子力學(xué)就是圍繞兩大核心問題展開的，這兩大問題貫穿了量子力學(xué)的整個(gè)發(fā)展歷程，也正是這兩大問題，催生了波函數(shù)坍縮這一關(guān)鍵公設(shè)。

第一，在某個(gè)給定的初始狀態(tài)基礎(chǔ)上，我們該如何預(yù)測未來某個(gè)時(shí)刻微觀粒子的量子態(tài)？換句話說，微觀粒子的量子態(tài)是如何隨時(shí)間演化的？

第二，對某個(gè)系統(tǒng)的量子態(tài)進(jìn)行觀測，我們會(huì)得到什么樣的結(jié)果？或者說，得到某種特定結(jié)果的概率有多大？

第一個(gè)問題，其實(shí)就是量子系統(tǒng)的演化問題；而第二個(gè)問題，就是量子測量的觀測問題。在目前的量子力學(xué)理論框架里，這兩個(gè)問題都有一個(gè)約定好的公設(shè)來回答，這兩個(gè)公設(shè)分別是：薛定諤方程和玻恩規(guī)則。

除此之外，還有一個(gè)公設(shè)可以把上面兩個(gè)公設(shè)緊緊結(jié)合在一起，彌補(bǔ)兩者之間的“斷層”，那就是我們今天討論的重點(diǎn)：波函數(shù)坍縮。

如果沒有波函數(shù)坍縮，薛定諤方程所描述的“連續(xù)演化”，與玻恩規(guī)則所描述的“離散觀測結(jié)果”，就會(huì)陷入無法調(diào)和的矛盾之中——薛定諤方程告訴我們，量子態(tài)會(huì)一直處于連續(xù)的疊加態(tài)，而玻恩規(guī)則告訴我們，觀測結(jié)果只能是單一的、確定的本征值，波函數(shù)坍縮，就是連接這兩種狀態(tài)的橋梁。

下面，我們就來具體講述一下這三個(gè)公設(shè)，搞清楚它們各自的作用，以及波函數(shù)坍縮在其中的核心地位。

首先是薛定諤方程。

這個(gè)方程是由奧地利物理學(xué)家薛定諤在1926年提出的，它是量子力學(xué)中最核心、最基礎(chǔ)的方程，沒有之一。從數(shù)學(xué)形式上看，薛定諤方程分為含時(shí)方程和定態(tài)方程，含時(shí)方程描述的是量子態(tài)隨時(shí)間的演化過程，定態(tài)方程則描述的是量子態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特征。這個(gè)方程看起來并不復(fù)雜，但其公式中的符號并不是我們熟悉的宏觀物理量——比如波函數(shù)本身就是一個(gè)復(fù)數(shù)，我們無法直接感知復(fù)數(shù)的物理意義，只能通過它的模的平方，來獲取微觀粒子處于某個(gè)狀態(tài)的概率。

其實(shí)，我們沒有必要深入理解薛定諤方程的具體推導(dǎo)過程和數(shù)學(xué)細(xì)節(jié)，只需要知道它的地位和作用就足夠了。

薛定諤方程在量子世界的地位，就相當(dāng)于牛頓第二定律在經(jīng)典物理學(xué)中的地位一樣——牛頓第二定律（F=ma）是描述宏觀物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的核心方程，它告訴我們，宏觀物體的加速度與所受的合外力成正比，與物體的質(zhì)量成反比，通過這個(gè)方程，我們可以精準(zhǔn)預(yù)測宏觀物體的運(yùn)動(dòng)軌跡和狀態(tài)變化。

而薛定諤方程，就是量子世界的“牛頓第二定律”，它是量子力學(xué)的基石，用來描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，具體來講，就是描述微觀粒子的“波函數(shù)”是如何隨時(shí)間變化的——這個(gè)波函數(shù)的波包形狀是什么樣，傳播速度和振幅又是怎樣，不同時(shí)刻的波函數(shù)之間存在怎樣的關(guān)聯(lián)，等等。

更重要的是，薛定諤方程所描述的波函數(shù)演化，是連續(xù)的、確定的、可逆的。也就是說，只要我們知道了初始時(shí)刻的波函數(shù)，通過薛定諤方程，我們就可以精準(zhǔn)地計(jì)算出未來任何一個(gè)時(shí)刻的波函數(shù)，這個(gè)過程就像宏觀世界中，我們通過牛頓第二定律預(yù)測物體的運(yùn)動(dòng)軌跡一樣，是完全確定的。但這里有一個(gè)關(guān)鍵前提：這個(gè)連續(xù)、確定的演化，只發(fā)生在“沒有觀測”的情況下。一旦進(jìn)行觀測，這種連續(xù)的演化就會(huì)被打破，波函數(shù)就會(huì)發(fā)生坍縮——這也是薛定諤方程與波函數(shù)坍縮之間最核心的關(guān)聯(lián)與區(qū)別。

第二個(gè)公設(shè)，玻恩規(guī)則。該規(guī)則是由德國物理學(xué)家馬克斯·玻恩在1926年提出的，它解決了“觀測結(jié)果如何確定”的問題，也為波函數(shù)賦予了物理意義。

在玻恩提出這個(gè)規(guī)則之前，物理學(xué)家們對波函數(shù)的物理意義爭論不休：薛定諤認(rèn)為，波函數(shù)是一種真實(shí)存在的“物質(zhì)波”，微觀粒子就是波的集合；而海森堡、玻爾等人則認(rèn)為，波函數(shù)只是一種描述微觀粒子狀態(tài)的數(shù)學(xué)工具。直到玻恩提出玻恩規(guī)則，才最終統(tǒng)一了這一爭論——波函數(shù)本身并不是真實(shí)的物質(zhì)，它的核心作用是描述微觀粒子處于某個(gè)狀態(tài)的概率。

玻恩規(guī)則具體表明，所謂的“波函數(shù)”并不是我們能直接看到的物理實(shí)體，我們看到的只是某個(gè)“可觀測量”——比如微觀粒子的位置、速度、能量等。而每個(gè)可觀測量，都對應(yīng)著一系列的“本征態(tài)”和“本征值”：所謂“本征態(tài)”，就是微觀粒子在被觀測時(shí)，能夠呈現(xiàn)出確定結(jié)果的量子態(tài)；而“本征值”，就是這個(gè)確定的觀測結(jié)果。簡單來說，當(dāng)我們觀測量子系統(tǒng)時(shí)，得到的結(jié)果，一定是這個(gè)可觀測量所對應(yīng)的本征值中的其中之一，不可能出現(xiàn)超出本征值范圍的結(jié)果。

舉個(gè)例子，我們觀測一個(gè)電子的自旋狀態(tài)，電子的自旋可觀測量，對應(yīng)的本征態(tài)只有兩種：自旋向上和自旋向下，對應(yīng)的本征值也只有兩個(gè)。

這就意味著，無論我們怎么觀測，得到的結(jié)果只能是“自旋向上”或“自旋向下”，不可能出現(xiàn)“既向上又向下”“一半向上一半向下”的結(jié)果——這就是玻恩規(guī)則的核心內(nèi)容。而本征值往往都是離散的，不是連續(xù)的，這也是“量子”一詞的由來——“量子”的本意就是“離散的、不可分割的最小單位”，微觀粒子的可觀測量（如能量、自旋）只能取離散的本征值，而不能取連續(xù)的值，這也是量子世界與宏觀世界的重要區(qū)別之一。

那么問題來了：觀測結(jié)果會(huì)是哪一個(gè)本征值呢？是由什么決定的？答案是：由微觀粒子的量子態(tài)與本征態(tài)之間的“重疊程度”決定的。通俗來講就是，每個(gè)本征值都對應(yīng)一個(gè)本征態(tài)，而微觀粒子的量子態(tài)（由波函數(shù)描述），可以看作是所有本征態(tài)的“疊加”——就像把不同顏色的光混合在一起，形成一種新的顏色。而量子態(tài)與每個(gè)本征態(tài)之間，會(huì)存在一個(gè)“夾角”，這個(gè)夾角就決定了觀測到該本征態(tài)對應(yīng)本征值的概率。

當(dāng)夾角為零時(shí)，也就意味著本征態(tài)正好與量子態(tài)完全重合，此時(shí)我們的觀測就一定會(huì)得到這個(gè)本征態(tài)對應(yīng)的本征值，這個(gè)概率就是100%；當(dāng)夾角不為零時(shí)，概率就會(huì)小于100%，夾角越大，概率就越小；如果夾角為90度，量子態(tài)與本征態(tài)完全垂直，那么觀測到這個(gè)本征值的概率就為零。

比如，一個(gè)電子的量子態(tài)是“自旋向上”和“自旋向下”的等概率疊加，那么它與“自旋向上”本征態(tài)的夾角和與“自旋向下”本征態(tài)的夾角相等，觀測到兩種結(jié)果的概率就都是50%。這就是玻恩規(guī)則的核心邏輯——它告訴我們，觀測結(jié)果的概率的，是由波函數(shù)的疊加狀態(tài)決定的。

第三個(gè)公設(shè)，就是波函數(shù)坍縮。這個(gè)坍縮到底是怎么一回事呢？為什么會(huì)發(fā)生坍縮呢？這正是量子力學(xué)中最詭異、最具爭議的問題，也是我們今天討論的核心。

按照我們的傳統(tǒng)觀念，任何觀測行為都只是“反映”出客觀存在的某個(gè)狀態(tài)，而且這個(gè)狀態(tài)是獨(dú)立于觀測者、獨(dú)立于觀測行為的——比如，我們看到桌子在墻角，并不是因?yàn)槲覀儭翱础绷怂旁趬牵撬旧砭驮趬牵覀兊挠^測只是確認(rèn)了這一事實(shí)。但波函數(shù)坍縮這個(gè)公設(shè)，卻徹底顛覆了這種認(rèn)知：當(dāng)我們觀測時(shí)，得到的任何結(jié)果，其實(shí)都不是“客觀存在的狀態(tài)”，而是系統(tǒng)的量子態(tài)在觀測的瞬間，恰好突變?yōu)樵摻Y(jié)果對應(yīng)的本征態(tài)。這句話聽起來很抽象，我們可以從兩個(gè)層面來理解。

第一，波函數(shù)坍縮與觀測行為密切相關(guān)，它并不會(huì)獨(dú)立于觀測而發(fā)生。也就是說，在沒有觀測的時(shí)候，波函數(shù)會(huì)按照薛定諤方程連續(xù)、確定地演化，微觀粒子處于所有可能狀態(tài)的疊加態(tài)；只有當(dāng)我們進(jìn)行觀測的瞬間，波函數(shù)才會(huì)突然坍縮，疊加態(tài)消失，只剩下一個(gè)確定的本征態(tài)。如果我們停止觀測，波函數(shù)又會(huì)重新按照薛定諤方程開始連續(xù)演化，再次進(jìn)入疊加態(tài)。這就意味著，觀測行為本身，就是觸發(fā)波函數(shù)坍縮的關(guān)鍵因素——沒有觀測，就沒有坍縮。

第二，波函數(shù)坍縮看起來與薛定諤方程是相悖的。薛定諤方程描述的波函數(shù)演化是連續(xù)的、確定的、可逆的，而波函數(shù)坍縮是突發(fā)的、隨機(jī)的、不可逆的——它不是一個(gè)連續(xù)的過程，而是在觀測瞬間發(fā)生的“突變”；它的結(jié)果是隨機(jī)的，我們無法預(yù)測坍縮會(huì)得到哪個(gè)本征態(tài)，只能通過玻恩規(guī)則預(yù)測概率；而且一旦坍縮發(fā)生，就無法逆轉(zhuǎn)，我們再也無法回到原來的疊加態(tài)。這種“矛盾”，也成為了量子力學(xué)詮釋的核心爭議點(diǎn)——為什么同一個(gè)量子系統(tǒng)，在沒有觀測和有觀測時(shí)，會(huì)遵循兩種完全不同的演化規(guī)則？

這里有一個(gè)常見的誤解：很多人認(rèn)為，波函數(shù)坍縮是哥本哈根學(xué)派（由玻爾、海森堡等人創(chuàng)立）提出來的，但實(shí)際上，“波函數(shù)坍縮”這一概念，是由匈牙利裔美國物理學(xué)家馮·諾依曼在1932年首先提出來的。哥本哈根學(xué)派雖然強(qiáng)調(diào)了觀測的重要性，提出了“觀測會(huì)影響量子態(tài)”的觀點(diǎn)，但并沒有明確提出“坍縮”這一概念；而馮·諾依曼在其著作《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》中，首次明確提出了波函數(shù)坍縮的概念，將其作為量子力學(xué)的基本公設(shè)之一，用來解釋量子測量過程中“連續(xù)演化”與“離散結(jié)果”之間的矛盾。

波函數(shù)坍縮最奇怪、最讓人難以接受的地方在于，它的發(fā)生是“瞬間的、隨機(jī)的”，而且與觀測者密切相關(guān)。當(dāng)我們不做任何事、不進(jìn)行觀測時(shí)，波函數(shù)滿足薛定諤方程，是連續(xù)的、確定的，我們可以精準(zhǔn)預(yù)測它在任何時(shí)刻的狀態(tài)；但是當(dāng)我們觀測的一瞬間，它就會(huì)發(fā)生隨機(jī)變化，這個(gè)變化在瞬間完成，沒有中間過程，而且變化的結(jié)果，與我們的觀測對象、觀測方式都有很大關(guān)系。

這其實(shí)說明了我們的觀測行為，會(huì)給量子系統(tǒng)帶來兩點(diǎn)本質(zhì)性的變化：一，我們觀測時(shí)，會(huì)為系統(tǒng)“設(shè)定”一系列有關(guān)本征態(tài)的選項(xiàng)——也就是我們想要觀測的可觀測量所對應(yīng)的所有本征態(tài)；二，量子態(tài)會(huì)從所有這些選項(xiàng)中，“隨機(jī)選擇”其中之一，作為觀測結(jié)果，而這個(gè)選擇的概率，由玻恩規(guī)則決定。

這就很奇怪了，讓人很難接受。

其實(shí)，如果說“觀測結(jié)果是由觀測方式和手段決定的”，還比較容易讓人理解——畢竟在宏觀世界里，我們的觀測方式也會(huì)影響觀測結(jié)果（比如用不同的儀器測量同一個(gè)物體的長度，可能會(huì)有微小的誤差）；但如果說“量子系統(tǒng)的演化結(jié)果，同樣是由觀測方式和手段決定的”，就很難讓人接受了——這意味著，量子系統(tǒng)的狀態(tài)，并不是客觀存在的，而是由觀測者的觀測行為“創(chuàng)造”出來的。而這，也是波函數(shù)坍縮最讓人難以接受、最具爭議的一點(diǎn)。

很多科普文中會(huì)這樣解釋波函數(shù)坍縮：認(rèn)為人類的任何觀測行為，都不可避免地會(huì)對量子系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，比如我們要觀測一個(gè)電子的位置，就需要用光子去照射它，而光子與電子的相互作用，會(huì)改變電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以觀測行為當(dāng)然會(huì)改變系統(tǒng)的狀態(tài)，導(dǎo)致波函數(shù)坍縮。

這種解釋看起來很合理，也很容易讓人接受，畢竟這種解釋的思維模式，更符合我們對宏觀世界的認(rèn)知——就像我們用手去摸一個(gè)滾燙的杯子，手的溫度會(huì)影響杯子的溫度，我們的觀測行為也會(huì)干擾被觀測的物體。

但實(shí)際上，這種解釋是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模踔量梢哉f是錯(cuò)誤的。

為什么這樣說？

因?yàn)槿绻f“觀測行為干擾了量子系統(tǒng)的狀態(tài)”，就隱含了一個(gè)前提：在觀測之前，量子系統(tǒng)已經(jīng)有某個(gè)確定的狀態(tài)了，只是我們的觀測行為，把這個(gè)確定的狀態(tài)給改變了。但量子力學(xué)的基本原理表明，“觀測行為改變了量子狀態(tài)”，并不是“干擾了已有的確定狀態(tài)”，而是“創(chuàng)造了一個(gè)新的確定狀態(tài)”——在觀測之前，量子系統(tǒng)并不存在任何確定的狀態(tài)，它處于所有可能狀態(tài)的疊加態(tài)，是觀測行為，讓它從疊加態(tài)坍縮為一個(gè)確定的狀態(tài)。這兩者之間，有著本質(zhì)的區(qū)別，也正是這一區(qū)別，導(dǎo)致了“觀測干擾論”的錯(cuò)誤。

同時(shí)，貝爾實(shí)驗(yàn)也從實(shí)驗(yàn)層面，否定了“觀測行為干擾量子系統(tǒng)”的觀點(diǎn)。貝爾實(shí)驗(yàn)是由物理學(xué)家約翰·貝爾在1964年提出的，其核心目的是驗(yàn)證“隱變量理論”是否成立，同時(shí)也間接證明了量子世界的“非定域性”。貝爾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在滿足定域性（即任何信號的傳播速度都不能超過光速）的基礎(chǔ)上，量子系統(tǒng)不可能存在某個(gè)確定的、獨(dú)立于觀測的狀態(tài)——也就是說，在觀測之前，量子系統(tǒng)確實(shí)處于疊加態(tài)，而不是一個(gè)確定的狀態(tài)，因此“觀測行為干擾了量子系統(tǒng)”的觀點(diǎn)，是不成立的。

說白了，量子力學(xué)中的基本公設(shè)，比如說“觀測”“坍縮”等概念，都是“原生的”。

什么意思呢？我們可以把這些概念理解為公理——公理是數(shù)學(xué)、物理學(xué)中最基本的存在，不需要任何解釋，也無法被證明，它是構(gòu)建整個(gè)理論體系的基礎(chǔ)。言外之意，就連我們自認(rèn)為最熟悉的“觀測”，其實(shí)我們都不知道它的本質(zhì)是什么。何為“觀測”？是人類的意識(shí)造就了觀測結(jié)果，進(jìn)而導(dǎo)致波函數(shù)坍縮嗎？亦或只是單純的物理過程，與意識(shí)無關(guān)？

其實(shí)，我們并不知道。

更讓人困惑的是，所謂的“量子態(tài)”，其實(shí)只是人們對觀測結(jié)果做出預(yù)測的工具罷了——它并不是微觀粒子本身的“真實(shí)狀態(tài)”，只是我們用來描述微觀粒子、預(yù)測觀測結(jié)果的數(shù)學(xué)模型；而“波函數(shù)坍縮”，也只是這個(gè)工具在使用過程中的某個(gè)環(huán)節(jié)——當(dāng)我們進(jìn)行觀測時(shí)，這個(gè)工具就會(huì)“切換模式”，從“描述疊加態(tài)”切換到“給出確定結(jié)果”。我們知道，“坍縮”的概念確實(shí)有用，它能完美解釋觀測結(jié)果的確定性，能連接薛定諤方程和玻恩規(guī)則，能讓量子力學(xué)的理論框架變得自洽，但除此之外，我們對它的本質(zhì)一無所知。

物理學(xué)家馮·諾依曼，曾努力試圖將“坍縮”這個(gè)神秘的概念和過程，用某種確定的物理過程消除掉——他希望能證明，波函數(shù)坍縮并不是一個(gè)獨(dú)立的公設(shè)，而是可以通過薛定諤方程推導(dǎo)出來的物理過程，從而解決量子力學(xué)中“兩種演化規(guī)則”的矛盾。但不管他怎么努力，最終都發(fā)現(xiàn)，波函數(shù)坍縮是無法消除的。

這是因?yàn)椋鶕?jù)薛定諤方程可以推導(dǎo)出，當(dāng)量子系統(tǒng)與觀測者（或觀測儀器）之間發(fā)生物理作用時(shí)，量子系統(tǒng)和觀測者會(huì)形成一個(gè)更大的量子系統(tǒng)，這個(gè)更大的量子系統(tǒng)的波函數(shù)，依然會(huì)按照薛定諤方程連續(xù)演化，所有的疊加態(tài)都會(huì)被保留下來——也就是說，從整個(gè)大系統(tǒng)的角度來看，并沒有發(fā)生坍縮，疊加態(tài)依然存在。但是，我們作為觀測者，最終看到的觀測結(jié)果，卻是單一的、確定的，而不是疊加態(tài)。

這就產(chǎn)生了一個(gè)矛盾：大系統(tǒng)的波函數(shù)沒有坍縮，為什么我們觀測到的結(jié)果卻是坍縮后的確定狀態(tài)？

馮·諾依曼通過對“觀測過程”的詳細(xì)分析，最終也只能消除其中的物理部分——也就是量子系統(tǒng)與觀測儀器之間的相互作用，這些相互作用都可以用薛定諤方程來描述。但那些不能消除的部分，他將其定義為“非物理部分”，說白了，就是“觀測者的意識(shí)”。馮·諾依曼就此也表明了自己的觀點(diǎn)：波函數(shù)坍縮，或許真的與觀測者的意識(shí)有關(guān)——正是觀測者的意識(shí)，觸發(fā)了波函數(shù)的坍縮，讓疊加態(tài)變成了確定的狀態(tài)。

這就是“意識(shí)可能導(dǎo)致波函數(shù)坍縮”這一觀點(diǎn)的由來，也引發(fā)了后來關(guān)于“意識(shí)與量子力學(xué)”的無數(shù)爭論。

網(wǎng)絡(luò)上，很多人在討論“意識(shí)與坍縮”之間的關(guān)系時(shí)，總是會(huì)振振有詞地說“觀測行為是純粹的物理過程，與意識(shí)沒有任何關(guān)系”，其實(shí)這種觀點(diǎn)，并沒有完全理解馮·諾依曼的意圖。馮·諾依曼并不是說“意識(shí)一定能導(dǎo)致波函數(shù)坍縮”，而是說，在現(xiàn)有量子力學(xué)的框架下，想要解釋波函數(shù)坍縮，就無法回避“意識(shí)”這個(gè)非物理因素——如果我們強(qiáng)行將觀測行為定義為純粹的物理過程，就會(huì)導(dǎo)致量子力學(xué)的理論體系出現(xiàn)漏洞，變得不完備。

當(dāng)然，這并非說明“意識(shí)一定就與坍縮有關(guān)”，只能說明“觀測行為大概率不是純粹的物理過程”。因?yàn)槿绻^測是純粹的物理過程，就意味著量子力學(xué)并不完備——為什么這樣講？

因?yàn)樵诹孔恿W(xué)中，觀測過程是作為公理被定義的，而任何一個(gè)完備的物理理論，都需要對其核心概念和過程做出詳細(xì)、具體的描述，而不是用“公理”來敷衍。公理說白了就是假設(shè)，是我們暫時(shí)無法證明、只能接受的前提，但一個(gè)完備的理論，不應(yīng)該把最核心的觀測過程，僅僅當(dāng)作一個(gè)假設(shè)來處理。而如今，量子力學(xué)強(qiáng)行把觀測行為以公理的形式定義，其實(shí)已經(jīng)表明了量子力學(xué)本身，就無法描述觀測這種物理過程——它只能告訴我們“觀測會(huì)導(dǎo)致坍縮”，卻無法告訴我們“觀測為什么會(huì)導(dǎo)致坍縮”“觀測的物理本質(zhì)是什么”。

對此，哥本哈根學(xué)派給出了自己的解釋：我們并不能直接獲取微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，量子力學(xué)描述的，并不是量子系統(tǒng)本身的物理變化過程，而是人類對量子系統(tǒng)認(rèn)知的更新過程。這也是所謂的“認(rèn)知論波函數(shù)”觀點(diǎn)——波函數(shù)并不是微觀粒子的真實(shí)狀態(tài)，而是我們對微觀粒子狀態(tài)的“認(rèn)知”，當(dāng)我們進(jìn)行觀測時(shí)，我們的認(rèn)知得到了更新，波函數(shù)也就隨之坍縮，從“不確定的認(rèn)知”變成“確定的認(rèn)知”。

哥本哈根學(xué)派據(jù)此認(rèn)為，所謂的“獨(dú)立于人類認(rèn)知的系統(tǒng)客觀狀態(tài)”，是沒有意義的。微觀世界與我們所在的經(jīng)典宏觀世界截然不同，量子態(tài)只適用于微觀世界，而宏觀世界則遵循經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)則。當(dāng)微觀粒子通過經(jīng)典儀器，把相關(guān)信息傳遞給觀測者的過程中，一定會(huì)在某個(gè)節(jié)點(diǎn)“坍縮”為經(jīng)典狀態(tài)——也就是說，坍縮的本質(zhì)，是量子系統(tǒng)與經(jīng)典系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，是微觀世界向宏觀世界過渡的必然過程。

哥本哈根詮釋的核心，就是“放棄對客觀現(xiàn)實(shí)的追求”，轉(zhuǎn)而關(guān)注“觀測到的物理現(xiàn)象”——它認(rèn)為，我們不需要去糾結(jié)“量子世界的本質(zhì)是什么”，只需要關(guān)注“我們觀測到了什么”“如何預(yù)測觀測結(jié)果”，這就足夠了。

與“認(rèn)知論波函數(shù)”對應(yīng)的，是“本體論波函數(shù)”觀點(diǎn)。該觀點(diǎn)認(rèn)為，所謂的量子態(tài)，完全是微觀粒子的物理狀態(tài)，波函數(shù)描述的，也是微觀粒子真實(shí)的物理過程，而不是人們的認(rèn)知過程。但這種觀點(diǎn)，就意味著“疊加態(tài)是真實(shí)的物理現(xiàn)實(shí)狀態(tài)”——也就是說，微觀粒子真的可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)，比如同時(shí)在兩個(gè)不同的地方，同時(shí)具有兩個(gè)不同的速度。這種看似詭異的結(jié)論，由此就會(huì)引申出“多世界理論”（也叫平行宇宙理論）。

多世界理論是由物理學(xué)家休·埃弗萊特在1957年提出的，該理論認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)世界本身就是多重的，就像量子世界里的疊加態(tài)那樣。當(dāng)我們進(jìn)行觀測時(shí)，波函數(shù)并沒有發(fā)生坍縮，而是整個(gè)宇宙分裂成了多個(gè)平行宇宙——在每個(gè)平行宇宙中，量子系統(tǒng)都處于一個(gè)不同的本征態(tài)，我們只是恰好處于其中一個(gè)平行宇宙中，只能觀測到這個(gè)宇宙中的結(jié)果。簡單來說，當(dāng)我們觀測一個(gè)處于“自旋向上”和“自旋向下”疊加態(tài)的電子時(shí)，宇宙會(huì)分裂成兩個(gè)：一個(gè)宇宙中，電子自旋向上；另一個(gè)宇宙中，電子自旋向下，而我們只能感知到其中一個(gè)宇宙的結(jié)果。

但是，既然多世界理論反對認(rèn)知論波函數(shù)，認(rèn)為波函數(shù)是真實(shí)的物理狀態(tài)，那就意味著它一定會(huì)把觀測過程當(dāng)做純粹的物理過程，也就需要對“波函數(shù)坍縮”做出物理解釋。但直到目前，多世界理論也沒有給出突破性的解釋——它雖然回避了“坍縮”的概念，用“宇宙分裂”來替代，但“宇宙分裂”本身，也是一個(gè)無法被驗(yàn)證、無法被解釋的神秘過程，而且它還帶來了更多的問題：平行宇宙之間是否會(huì)相互影響？我們?nèi)绾巫C明其他平行宇宙的存在？這些問題，至今都沒有答案。

除了這兩種詮釋之外，還有一種解釋，就是“隱變量解釋”。該解釋的核心觀點(diǎn)是，承認(rèn)波函數(shù)的預(yù)測結(jié)果是正確的，但認(rèn)為所謂的“波函數(shù)”，也只是對更深層現(xiàn)實(shí)的描述罷了，并非微觀粒子的本質(zhì)體現(xiàn)。在波函數(shù)背后，還存在著一些我們尚未發(fā)現(xiàn)的“隱變量”，這些隱變量決定了微觀粒子的狀態(tài)，也決定了觀測結(jié)果——也就是說，微觀粒子的狀態(tài)其實(shí)是確定的，我們之所以認(rèn)為它是不確定的，只是因?yàn)槲覀冞€沒有發(fā)現(xiàn)這些隱變量。

這種觀點(diǎn)，其實(shí)是愛因斯坦等人所支持的——愛因斯坦始終不接受量子力學(xué)的“不確定性”，他認(rèn)為“上帝不會(huì)擲骰子”，量子世界的不確定性，只是因?yàn)槲覀兊恼J(rèn)知還不夠全面，沒有發(fā)現(xiàn)背后的隱變量。但后來的貝爾實(shí)驗(yàn)，以及后續(xù)的一系列實(shí)驗(yàn)，都表明了隱變量一定是非定域的——也就是說，隱變量的作用速度可以超過光速，這與愛因斯坦的相對論（光速是宇宙中最快的速度）發(fā)生了矛盾。因此，隱變量解釋在實(shí)驗(yàn)層面被否定了，如今已經(jīng)不再被主流科學(xué)界認(rèn)可。

總結(jié)這三種主流觀點(diǎn)，其實(shí)就是對“物理現(xiàn)實(shí)”的三種不同理解：

第一種觀點(diǎn)，也就是哥本哈根詮釋認(rèn)為，物理現(xiàn)實(shí)其實(shí)是沒有意義的，我們更應(yīng)該關(guān)注物理現(xiàn)象——量子力學(xué)描述的不是客觀現(xiàn)實(shí)，而是我們對客觀現(xiàn)象的認(rèn)知，觀測行為創(chuàng)造了觀測結(jié)果，沒有觀測，就沒有確定的結(jié)果。

第二種觀點(diǎn)，也就是多世界理論認(rèn)為，所謂的物理現(xiàn)實(shí)是多重的，并不依賴于我們的主觀觀測——波函數(shù)沒有坍縮，宇宙只是不斷分裂出平行宇宙，每個(gè)平行宇宙都有一個(gè)確定的現(xiàn)實(shí)，我們只是其中一個(gè)宇宙的觀測者。

第三種觀點(diǎn)，也就是隱變量解釋認(rèn)為，所謂的物理現(xiàn)實(shí)背后一定存在某種隱變量，是單一的、確定的——微觀粒子的狀態(tài)本身是確定的，不確定性只是因?yàn)槲覀儧]有發(fā)現(xiàn)隱變量，這種觀點(diǎn)雖然符合我們的直覺，但已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)否定。

這也是為什么哥本哈根學(xué)派提出的“認(rèn)知論波函數(shù)”會(huì)被主流科學(xué)界接受和認(rèn)可——不是說哥本哈根詮釋一定是對的，而是目前為止，沒有其他任何一種詮釋，能比哥本哈根詮釋更好地詮釋詭異的量子力學(xué)，能更自洽地解釋波函數(shù)坍縮、疊加態(tài)、觀測等核心問題。哥本哈根詮釋的優(yōu)勢，在于它“務(wù)實(shí)”——它不糾結(jié)于量子世界的本質(zhì)，只關(guān)注觀測結(jié)果和預(yù)測，這種務(wù)實(shí)的態(tài)度，讓它成為了量子力學(xué)的主流詮釋，也成為了科學(xué)家們研究量子世界的基礎(chǔ)。

最后，我們來解釋一下，為什么開頭我會(huì)說“科學(xué)家們比我們想象的要清楚很多”——其實(shí)這多虧了量子糾纏和退相干理論的發(fā)展。這兩個(gè)理論，雖然沒有從根本上解決波函數(shù)坍縮的本質(zhì)問題，但卻讓我們對觀測過程、對量子系統(tǒng)與環(huán)境的相互作用，有了更深入的理解，也澄清了很多之前的誤解。

量子糾纏就不過多闡述了，它是指兩個(gè)或多個(gè)微觀粒子之間，存在一種超距的、瞬時(shí)的關(guān)聯(lián)——無論這兩個(gè)粒子相距多遠(yuǎn)，哪怕是相隔億萬光年，一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)瞬間發(fā)生相應(yīng)的變化，這種關(guān)聯(lián)無法用經(jīng)典物理學(xué)的理論來解釋，也是量子力學(xué)最詭異的現(xiàn)象之一。之前我們已經(jīng)對量子糾纏做過詳細(xì)的講述，這里就不再展開，重點(diǎn)提一下退相干理論。

其實(shí)，網(wǎng)絡(luò)上很多人對退相干理論有誤解，總會(huì)認(rèn)為它是一種量子力學(xué)詮釋，和哥本哈根詮釋、多世界理論一樣，是對量子世界本質(zhì)的一種解釋。但實(shí)際上，退相干理論并不是一種詮釋，它只是在量子力學(xué)的現(xiàn)有框架內(nèi)，對觀測過程做出的一種詳細(xì)分析和補(bǔ)充——它沒有否定波函數(shù)坍縮，也沒有提出新的量子力學(xué)規(guī)則，只是解釋了“為什么我們觀測不到疊加態(tài)”，解釋了量子系統(tǒng)如何從疊加態(tài)過渡到經(jīng)典態(tài)。

退相干理論的核心觀點(diǎn)是：量子系統(tǒng)并不是孤立存在的，它會(huì)與周圍的環(huán)境發(fā)生相互作用，這種相互作用會(huì)導(dǎo)致量子系統(tǒng)的疊加態(tài)逐漸消失，失去相干性——這就是“退相干”。簡單來說，當(dāng)我們進(jìn)行觀測時(shí)，觀測者、觀測儀器和量子系統(tǒng)，都會(huì)與周圍的環(huán)境（比如空氣分子、光子等）發(fā)生糾纏，形成一個(gè)更大的量子系統(tǒng)。在這個(gè)大系統(tǒng)中，量子系統(tǒng)的疊加態(tài)會(huì)與環(huán)境的狀態(tài)相互糾纏，導(dǎo)致疊加態(tài)被“掩蓋”，我們無法再觀測到疊加態(tài)，只能觀測到一個(gè)確定的經(jīng)典狀態(tài)。

說白了，退相干理論告訴我們，并不是說觀測行為對量子系統(tǒng)造成了干擾，而是觀測者本身、觀測儀器，以及量子系統(tǒng)，都會(huì)與環(huán)境發(fā)生糾纏，觀測者不再獨(dú)立于系統(tǒng)之外，不再有獨(dú)立的明確定義，而是與系統(tǒng)、與環(huán)境融為一體了。我們之所以觀測不到疊加態(tài)，是因?yàn)榀B加態(tài)已經(jīng)與環(huán)境的狀態(tài)糾纏在一起，變得無法區(qū)分，最終呈現(xiàn)出經(jīng)典的、確定的狀態(tài)——這也解釋了為什么我們在宏觀世界里，從來不會(huì)看到“既死又活的貓”（薛定諤的貓思想實(shí)驗(yàn)），也不會(huì)看到“同時(shí)在兩個(gè)地方的物體”。

不過，對于退相干理論，有兩個(gè)核心問題需要解釋，而它只能回答其中一個(gè)，無法回答另一個(gè)。

第一，為什么觀測的結(jié)果總是確定的？為什么我們不能看到“同時(shí)在兩個(gè)不同地方”的微觀粒子，或者說看到“既死又活”的貓？對于這個(gè)問題，退相干理論給出了明確的答案：因?yàn)榱孔酉到y(tǒng)與環(huán)境發(fā)生了退相干，疊加態(tài)被掩蓋，最終呈現(xiàn)出確定的經(jīng)典狀態(tài)，所以我們觀測到的結(jié)果都是確定的。

第二，為什么觀測行為總會(huì)產(chǎn)生某個(gè)特定結(jié)果？而這個(gè)結(jié)果產(chǎn)生的概率，是由玻恩規(guī)則決定的呢？對于這個(gè)問題，退相干理論無法回答——它只能解釋“為什么結(jié)果是確定的”，卻無法解釋“為什么是這個(gè)結(jié)果，而不是那個(gè)結(jié)果”，也無法解釋“結(jié)果的概率為什么遵循玻恩規(guī)則”。這意味著，第二個(gè)問題本身，終究還是要用量子力學(xué)的詮釋來回答——無論是哥本哈根詮釋，還是多世界理論，都需要對這個(gè)問題給出自己的解釋。

包括哥本哈根詮釋在內(nèi)的所有詮釋，在回答第二個(gè)問題時(shí)，都會(huì)回答“過程就是坍縮”——觀測行為觸發(fā)了波函數(shù)坍縮，坍縮的結(jié)果是隨機(jī)的，概率由玻恩規(guī)則決定。但這個(gè)坍縮過程，仍舊顯得很神秘——我們不知道它為什么會(huì)發(fā)生，不知道它發(fā)生的具體機(jī)制，不知道它為什么是隨機(jī)的，也不知道它與觀測者的意識(shí)到底有沒有關(guān)系。

而多世界理論則認(rèn)為，觀測行為并不會(huì)只產(chǎn)生一個(gè)特定結(jié)果，所有的結(jié)果都會(huì)保留——在不同的平行宇宙中，會(huì)出現(xiàn)不同的觀測結(jié)果，但我們只能觀測到自己所在的這個(gè)平行宇宙中的結(jié)果，所以我們會(huì)覺得結(jié)果是確定的、單一的。

這種解釋，雖然回避了坍縮的神秘性，但也帶來了新的神秘性——平行宇宙的存在，至今無法被驗(yàn)證，也無法被觀測到，只能停留在理論層面。

真相到底是什么？波函數(shù)坍縮的本質(zhì)到底是什么？觀測行為到底是不是純粹的物理過程？意識(shí)到底與坍縮有沒有關(guān)系？這些問題，目前仍舊存在巨大的爭議。但其實(shí)，有爭議就對了，有爭議才正常，沒有爭議反而不正常——因?yàn)橹钡侥壳盀橹梗矝]有任何人真的了解量子力學(xué)，沒有任何人能徹底揭開量子世界的神秘面紗。