量子世界中 波函數(shù)到底是數(shù)學(xué)描述還是實(shí)體

量子力學(xué)的發(fā)展已有百年歷程，但身為其理論核心之一的波函數(shù)，其本質(zhì)到底是什么，卻依然是百年未解的謎團(tuán)。波函數(shù)理論已經(jīng)衍生出諸如激光、半導(dǎo)體和核能等高新技術(shù)，深刻變革了人類生活方式。但多年來，物理學(xué)家們提出各種關(guān)于波函數(shù)的假設(shè)和詮釋，并設(shè)計(jì)出各種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，卻始終沒有達(dá)成共識(shí)。其中最主流聲音認(rèn)為，波函數(shù)僅是一種數(shù)學(xué)描述，用來計(jì)算微觀物體在某處出現(xiàn)的概率。但最近清華大學(xué)物理學(xué)教授龍桂魯帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，提出完全不同的全新觀點(diǎn)，認(rèn)為波函數(shù)是微觀物體的真實(shí)存在。

有那么一個(gè)世界：嶗山道士的穿墻術(shù)成為可能，你腳下的大地也不再堅(jiān)實(shí)，甚至世界的客觀實(shí)在性也消失了，一切都要用概率來解釋。這就是量子力學(xué)的世界。

不同于我們?nèi)粘８兄降暮暧^世界，量子力學(xué)所描繪的是微觀世界。量子力學(xué)的理論核心之一就是利用波函數(shù)來描述微觀物體的量子狀態(tài)。然而，盡管量子力學(xué)已有百年的發(fā)展歷程, 但是波函數(shù)的本質(zhì)是什么，依然是一個(gè)懸而未決的謎團(tuán)。近日，清華大學(xué)龍桂魯教授以第一和通訊作者身份，在2018年第3期《中國(guó)科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)(英文版)》上發(fā)表的一項(xiàng)研究，為我們揭開了波函數(shù)的神秘面紗。

雙縫實(shí)驗(yàn) 量子世界最早展示的怪事之一

首先來看看量子世界最早給我們展示的一件怪事，那就是著名的雙縫實(shí)驗(yàn)。如果有一只大黃鴨在水池里上下擺動(dòng)，引發(fā)周期性的漣漪向外散去。一段距離外，波紋碰上了一道中間有一條縫的擋板，同時(shí)，在擋板的后面，擺設(shè)偵測(cè)屏用來記錄通過縫隙的波的數(shù)據(jù)。波在穿過縫隙之后，開始向四周發(fā)散波動(dòng)，在偵測(cè)屏上會(huì)記錄一條與縫隙直線相對(duì)的明亮條紋。

那如果水波碰到兩條縫隙會(huì)產(chǎn)生什么樣的效果呢?我們?cè)趽醢迳显偌右粭l縫隙，結(jié)果發(fā)生了不一樣的事情：穿過兩條縫隙的波紋開始相互疊加，在偵測(cè)屏上形成了一系列明、暗交替的條紋，而這種漂亮的圖案被稱為“干涉圖”。

“頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動(dòng)加強(qiáng)，某些區(qū)域的振動(dòng)減弱，而且振動(dòng)加強(qiáng)的區(qū)域和振動(dòng)減弱的區(qū)域在空間上交替排列。這種現(xiàn)象叫做波的干涉。”龍桂魯教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

之所以會(huì)形成一系列明、暗交替的干涉圖，是因?yàn)樵谀承┑胤剑粋€(gè)縫隙波紋的波峰剛好在另一個(gè)縫隙波紋的波峰上，從而導(dǎo)致更劇烈的高峰，同時(shí)，如果是兩個(gè)波谷疊加則會(huì)導(dǎo)致更劇烈的下沉，這種現(xiàn)象被稱做“相長(zhǎng)干涉”。但當(dāng)一個(gè)波的波峰與另一個(gè)的波谷相遇時(shí)，它們相互抵消，水面恢復(fù)平靜，這是“相消干涉”。

“任何類型的波都應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生相似的干涉圖，比如水波、聲波還有光波等。”龍桂魯說。

干涉條紋 物理學(xué)最瘋狂實(shí)驗(yàn)結(jié)果之一

英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊在1801年首次觀察到了光的雙縫干涉，一束光經(jīng)過兩條很窄的縫隙后產(chǎn)生了數(shù)條明暗條紋，屏幕上交替出現(xiàn)相長(zhǎng)和相消干涉的區(qū)域。

我們知道光波是由大量的“光子”或者“光量子”組成的，在強(qiáng)光的情況下，光就是一束電磁波。因此，當(dāng)一束光穿過兩個(gè)縫隙時(shí)，在縫后就會(huì)相互干涉，進(jìn)而形成干涉條紋。

但是在這里，我們將看到物理學(xué)中最瘋狂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之一。我們每次只發(fā)射一個(gè)光子，已排除了兩個(gè)光子的相互影響。然而，在這種情況下，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積累，干涉條紋依然會(huì)出現(xiàn)。每個(gè)光子到達(dá)屏幕時(shí)，只產(chǎn)生一個(gè)亮點(diǎn)。第一個(gè)光子在屏幕上一個(gè)特定位置被檢測(cè)到，第二個(gè)、第三個(gè)以及第四個(gè)也一樣，每一個(gè)光子都將在屏幕上產(chǎn)生一個(gè)亮點(diǎn)，表現(xiàn)出粒子的特性。但如果不斷發(fā)射單個(gè)的光子，在發(fā)射足夠多的單個(gè)光子后，這些光子在屏幕上就形成了干涉條紋的圖案。

雖然我們不知道每個(gè)光子會(huì)落在屏幕上哪一點(diǎn)，也不知道下一個(gè)光子會(huì)落在哪，然而每個(gè)光子在落向屏幕時(shí)肯定是干涉條紋亮點(diǎn)的地方，不會(huì)落在干涉暗點(diǎn)的地方， 這樣最終呈現(xiàn)出干涉條紋。

光子并不是唯一這樣做的粒子，發(fā)射單個(gè)電子穿過一對(duì)縫隙，它也會(huì)在屏幕上一點(diǎn)處落下，發(fā)射許多的電子后，會(huì)形成同樣的干涉條紋，甚至用包含有幾千個(gè)原子、電子、原子核組成的大分子做雙狹縫實(shí)驗(yàn)，也能觀察到這一奇怪的現(xiàn)象。

此時(shí)，每個(gè)光子、電子或原子經(jīng)過雙狹縫時(shí)表現(xiàn)出波的干涉性質(zhì)，這表現(xiàn)出微觀粒子的波動(dòng)性，而在屏幕上我們看到的只是一個(gè)亮點(diǎn)，又表現(xiàn)出粒子性。我們將微觀粒子的這種既有波動(dòng)性又有粒子性的奇妙性質(zhì)，叫做波粒二象性。

多家詮釋 對(duì)波函數(shù)實(shí)質(zhì)的不同描述

量子力學(xué)把描述微觀粒子狀態(tài)的函數(shù)稱為波函數(shù)。雙縫實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)的兩端我們知道粒子的位置，粒子從我們放單光子激光器或電子槍的位置開始運(yùn)動(dòng)，并在屏幕上一個(gè)確定位置被探測(cè)，所以粒子似乎在兩端更加類粒，而表現(xiàn)出的干涉在中間是類似波動(dòng)的。那么光子從發(fā)射到探測(cè)究竟經(jīng)歷了什么樣的過程?波函數(shù)起了什么樣的作用?這就涉及到量子力學(xué)的基本問題：波函數(shù)的實(shí)質(zhì)是什么?現(xiàn)在多種關(guān)于波函數(shù)的詮釋，對(duì)這個(gè)過程進(jìn)行了不同的描述。

哥本哈根概率波詮釋

波恩、海森堡和玻爾所支持的哥本哈根詮釋，是現(xiàn)在的主流派。“哥本哈根詮釋認(rèn)為波函數(shù)沒有物理本質(zhì)，僅是一種數(shù)學(xué)描述, 用來計(jì)算微觀物體在某一處出現(xiàn)的概率，只要計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符即可。”龍桂魯說道。

哥本哈根詮釋中，對(duì)微觀粒子進(jìn)行測(cè)量時(shí)，微觀粒子由多種可能性的迭加態(tài)轉(zhuǎn)換到一個(gè)特定的本征態(tài)，體系的狀態(tài)轉(zhuǎn)化瞬時(shí)發(fā)生，這稱作“波函數(shù)坍縮”。粒子具體轉(zhuǎn)換到哪一個(gè)狀態(tài)是完全隨機(jī)的。

德布羅意導(dǎo)航波詮釋

導(dǎo)航波理論最早在1927年由法國(guó)理論物理學(xué)家德布羅意提出。美國(guó)物理學(xué)家玻姆在1952年開始接手，一直研究到1992年離世。因此該理論也被稱為德布羅意—玻姆理論。“德布羅意導(dǎo)航波詮釋認(rèn)為波函數(shù)就是一個(gè)引導(dǎo)波，粒子按照這個(gè)波函數(shù)的引導(dǎo)走，也就是說粒子行走的位置是被一個(gè)波函數(shù)引導(dǎo)好的。”龍桂魯說道。

在德布羅意—玻姆理論中，電子始終擁有確定的位置，即便該位置無法被觀察者察覺。電子的位置受到導(dǎo)航波的引導(dǎo)。一個(gè)電子只能通過一條縫隙，但導(dǎo)航波可以同時(shí)穿過兩條縫隙。導(dǎo)航波的干涉產(chǎn)生了偵測(cè)屏上的干涉圖。

埃弗萊特多世界詮釋

多世界理論由美國(guó)物理學(xué)家休·埃弗萊特提出。龍桂魯介紹，多世界理論認(rèn)為當(dāng)粒子經(jīng)過雙縫后，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)不同的世界，在其中一個(gè)世界里粒子穿過了左邊的縫隙，而在另一個(gè)世界里粒子則通過了右邊的縫隙。波函數(shù)不需要“坍縮”，去隨機(jī)選擇左還是右，事實(shí)上兩種可能都發(fā)生了。只不過它表現(xiàn)為兩個(gè)世界：生活在一個(gè)世界中的人們發(fā)現(xiàn)在他們那里粒子通過了左邊的縫隙，而生活在另一個(gè)世界的人們觀察到的粒子則在右邊。

也就是說，粒子穿過雙縫的一瞬間產(chǎn)生了多個(gè)平行宇宙，每個(gè)宇宙對(duì)應(yīng)一種可能性。由于我們只是恰好生活在其中一個(gè)平行宇宙中，所以只觀察到了一種結(jié)果。