波函数实在性：不测量时，世界什么样？

你好，欢迎来到《给忙碌者的量子力学课》，我是李剑龙。

爱因斯坦曾经问过这样一个问题：你不看月亮时，月亮还存在吗？你一定觉得，这问题问得毫无意义，月亮当然是存在的。不管你看还是不看，它都是真实存在的，这就是实在性。

在日常生活里，承认实在性是件理所当然的事，但在量子力学里，偏偏它就出了问题。在上一讲我们说到，我们通过一系列的实验证实，实在性和一种不能超光速的性质，不可能同时成立。这样一来，必然会导致以下三种结果：

A 实在性不成立；

B 可以超光速；

C 实在性不成立，还可以超光速。

你看，上帝给你出了一道选择题，而且看起来是个单选题。你觉得应该怎么选？这一讲，我们先来讨论实在性成不成立的问题，把超光速留在下一讲讨论。

爱因斯坦说的看月亮就是对月亮进行了一次测量，测量的时候月亮在，那没测量的时候，月亮是什么样的？当我们不测量时，世界是什么样的？

1 争论焦点：你是怎么到上海的？

争论这个问题的双方，一边就是爱因斯坦，一边是量子力学最主流的学派，哥本哈根学派的主心骨玻尔。为了让你更好地理解他们在争什么，我先给你打个比方。

上海虹桥机场的隔壁就是虹桥火车站，这两个地方合起来叫虹桥枢纽。假设有个客人从北京来上海，而你在虹桥枢纽的高架口接到了他。我问你，你觉得客人是怎么来的？

如果你回答说，客人不是坐火车，就是坐飞机来的，那么恭喜你，你跟爱因斯坦想的一样。

玻尔的看法就有点怪了。如果你在虹桥枢纽的高架口接到了人，他会说，客人是同时坐火车和飞机来的。

玻尔还说，如果你换一种接人的方法，不去高架口，而是直接去火车站门口，接到了客人，那就说明他坐了火车。如果刚好没接到，那就说明他坐了飞机。

反过来也一样，如果你在机场门口接到客人，那就说明他坐了飞机，没接到，那他一定坐了火车。

这就是他们争论的焦点。你去接人就是在进行测量。爱因斯坦认为，世界上任何事情，都应该存在一种本质，这种本质不会因为你主观的测量方式而改变。不管你在哪里接他，客人永远只能选择一种交通方式到上海。他坚持实在性必须成立。

而玻尔呢，他认为要分情况。客人到底是同时坐了火车和飞机，还是任选了一种交通方式，取决于你在哪接他，也就是说，取决于你怎么测量。那客人来的方式，不就因为我的测量而改变了吗？玻尔放弃了实在性。

不要觉得玻尔说的话像是天方夜谭，物理学家真的把这个想法做成了实验，而结果似乎真的符合玻尔的说法。

那这是不是说明玻尔赢了呢？先别急着下结论，还有第三派观点。这派观点可以用一句话来概括，叫shut up and calculate。别说了，算出来什么就是什么。

这里说的算，就是要用理论预言实验会发生什么，在实验中应该观察什么。我们从薛定谔方程出发，做一个数学推导，就能预言实验的所有结果。这个数学推导的公式，我们就称为波函数。

那对于这个问题，波函数怎么说呢？从中间的计算过程来看，波函数的理解是，不管你怎么测量，客人总是同时坐火车和飞机到上海。

于是，问题变得更复杂了。爱因斯坦说，客人只能选一种交通方式。玻尔说，他怎么来由我测量方式决定。波函数说，不管你怎么测量，他都同时坐了火车和飞机。

这三种说法到底谁对呢？

2 实验证明波函数实在性正确

最近十年，物理学家围绕这个问题做了各式各样的实验。这些实验都认为，波函数说的对，爱因斯坦和玻尔都错了。他们是怎么验证的呢？

其中思路最简单的，是2017年，中国科学技术大学史保森研究组的实验。我们还是回到虹桥枢纽的例子。你想，我们接人的时候，还能得到什么信息？是的，我们还能记录客人到达的时间。

从北京坐飞机到上海，需要2个小时，坐高铁需要5个小时。根据爱因斯坦和玻尔的说法，如果你在机场接到了客人，说明客人坐的是飞机，那他一定花2个小时就到了。如果你在火车站接到了客人，那他一定花了5个小时才到。

但根据波函数的说法，不管你怎么接人，客人一定是同时坐了火车和飞机。如果是这样的话，客人的速度就会比火车快，比飞机慢，在路上花费的时间就会在2个小时到5个小时之间。

在实际操作里，实验组测量的是光子到达终点的时间。他们想办法，先让光子处于一种不同速度的叠加态，就好像飞机和火车有两种不同的速度一样。

但是光子的速度不是光速吗？怎么能让它速度不一样呢？这就是实验方案的巧妙之处了。

他们让光子在一根光纤中，同时沿着两条路向前走。第一条路，光子沿着直线走，这时它的速度就是真空中的光速。另一条路是，光子沿着光纤的外壁转圈，螺旋式前进。由于它走的是一条螺旋轨迹，把一部分速度用来打转了，所以它向前的那部分速度就变慢了。

实验结果呢，光子到达终点花费的时间，确实在两个时间之间。也就是说，光子真的同时走了两条路。这就证明波函数说的事都是成立的。换其他的实验也是一样。如果波函数算出来是走三条路，光子就真的会走三条路。

波函数虽然只是一个数学公式，是人类想出来的，但它所描述的量子状态，不管你看得见还是看不见，都是真实存在的。波函数对应着一种实在性。有些物理学家把它叫作波函数实在性。

3 互补性原理是错的

知道这个以后，我们可以对哥本哈根解释做一次重要升级。

有些科普书一提到哥本哈根解释，通常都会提到三大件：不确定性、概率性和互补性原理。前两个咱们课程已经讲过了，确实非常重要。

但我要告诉你，这第三个互补性原理，和波函数的说法有矛盾。既然波函数实在性成立，那互补原理就是错的。

错在哪呢？互补性原理是玻尔提出来的，他的意思是说，你要么看到光子走一条路，这是它的粒子性；要么看到它走两条路，这是它的波动性。

这说明粒子不可能同时表现出粒子性和波动性。你看到其中一个时，另一个就不存在。这两种特性是既相互矛盾，又相互补充的。

但在波函数的计算中，所有的粒子永远具有波粒二象性，波动性和粒子性永远同时存在，无论你看没看到，测没测量。

所以，下次你再看到有人提到互补性原理，除非你对历史特别感兴趣，否则可以直接跳过去不看。

这也是这门课和哥本哈根解释的重要区别。

虽然哥本哈根解释也会运用波函数，但它只把波函数当作一种描述工具，并不完全相信它，要不然玻尔也不会提出互补性原理。但我在做课程之前，已经知道了新的实验，所以我把互补性原理替换成了波函数实在性。这是这门课程对哥本哈根解释的重要升级。

现在我可以回答咱们这一节的问题了：不测量时，世界什么样呢？

这就好比你拿相机去拍庐山。你从这个角度拍到了它横看成岭，从那个角度拍到它侧成峰，但这并不意味着庐山要么是岭要么是峰。因为不管你从哪个角度拍它，你拍它或者不拍它，它都是岭和峰组合成的三维结构。

所以在量子力学中，测量后，粒子会以你熟悉的、那种确定的形式存在；在测量前，粒子会以你不熟悉的、不确定的形式存在。但不管测量前还是测量后，粒子都以波函数所描述的形式存在，只是测量前后的波函数，并不是同一个。

这既不同于爱因斯坦说的实在性，也不同于玻尔的反实在性，是一种不能用日常经验想象的新的实在性，叫波函数实在性。

当然，这只是微观粒子层面的事情。我在前面讲过，粒子数量变多了以后，它们会互相压制对方的不确定性。所以这种新的实在性，在宏观世界中，可以非常精确地等同于爱因斯坦说的实在性。

那我们应该这样说：不测量时，微观和宏观世界都以波函数的形式存在，宏观世界同时也以我们熟悉的方式存在。

你看，在这个问题上，量子力学几位创始人的观点全错了。真正笑到最后的，是他们没怎么放在心上的数学公式。这些公式虽然是经他们手创造出来的，但公式一旦创造出来，该怎么理解就由不得他们了。

那些支持波函数实在性的实验，还有很多地方可以改进。我们秉承科学精神，最好留一丝余地，不要急着下最终结论，看看未来的物理实验会不会提供新的思路。

 划重点

1. 关于实在性成不成立，爱因斯坦和玻尔争论的焦点是，粒子是不是永远走一条路。

2. 最近几年物理学家的实验证明，光子真的像波函数所说的，会同时经过所有的可能路径。这就是波函数实在性。

这提醒我们，以后不管有谁提量子的事，你要让他算给你看，算得出来就暂且相信。像量子波动速读之类的广告，一个波函数都写不出来，咱们一个字都不要信。

最后留一个思考题。在公众号里我们常会看到的一些新观点，有人同意，也有人反对，两边听着好像都有道理。学习了波函数实在性之后，对于选择支持谁，你有没有新的思路呢？留言说说你的思考。

这一讲我们说了爱因斯坦的实在性不成立，那上帝出的选择题还差一部分，到底能不能超光速呢？我们下一讲来说。

网友评论

思考题

shut up and calculate

看看谁的观点背后有更加底层的学科知识支持，而且这知识越往数学靠近则越硬，可信度越高。

如果双方都没，那我们就当个吃瓜群众吧。

作者

回复

我很赞同。在我们缺乏专业知识的时候，最好不要预设任何偏见，做个安静的吃瓜群众，多了解知识和事实就好。

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【思考题】

我甄别信息的方法：

一看数据：如果只有结论，没有数据，不可信；

二看逻辑：如果有数据支持，但推导逻辑有问题，不可作为规律来相信；如果没数据，有逻辑支持，等待具有统计学意义上的数据验证。

作者

回复

值得借鉴！如果每个信息都自己消化一遍再转发，就会减少很多不必要的错误。

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为什么测量前和测量后的波函数不是同一个了呢？这里的测量说的是哥本哈根的方法？

作者

回复

比如在一个光子即将打到屏幕的例子中，测量前，波函数说光子处于屏幕前所有位置；根据方程计算，它下一时刻应该在屏幕上所有位置。但是实际情况是，下一时刻，它只落在了屏幕上的某个位置上。这就说明它的波函数在测量的一刹那发生了变化。哥本哈根学派将这个变化过程解释为波函数坍缩。

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数学是检验真理的工具。

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我觉得暂且先把二者的观点都想一下，很有可能二者说的都是一件事的不同情况。以前担心读书多了会影响自己三观，失去判断对错的能力，但现在感觉道理间有互通的一面，从古代谚语到近代科学实验理论，几乎都不能应对所有情况。实时变通，我觉得这才是好办法。

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各种观点都对，取决于看问题的角度，这就是测量工具。

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calculate，最近在学编程，确实是这样的。计算让所有通信把电压的高低，数学的0和1，再到16进制，10进制，26个字母，符号，这些都是用数学原理计算出来的，带有数学特性的东西，组成了人类社会的基础设施。