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共识的崩塌
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简而言之，薛定谔从两个方面改变了人们对世界的经典描述：
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●一个粒子的状态是由波函数来描述的，而不是位置和速度。
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● 这个状态随时间的改变是由薛定谔方程来描述的，而不是牛顿定律或爱因斯坦的定律。
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人们把薛定谔的发现看作20世纪最伟大、最重要的成就，因为它深刻地变革了物理学和化学。但同时，它也让人们抓耳挠腮，困惑不已：如果一个物体竟然能同时出现在几个不同的地方，为什么我们从来没有观察到这个现象呢（喝醉时除外）？这个谜被称为“测量问题”（measurement problem，在物理学中，测量[measurement]和观察[observation]是同义词）。
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在经过各方争议和讨论后，玻尔和海森堡想出了一个补救措施，被称为“哥本哈根解释”（Copenhagen interpretation），直到今天它依然出现在众多量子力学教科书上，受到大多数人的支持。这个解释最关键的一点是在上述第二条中加入了一个“后门”，假定薛定谔方程只在某些时候起作用，而是否起作用取决于是否存在观察者。具体而言就是说，如果某个物体没有被观测，那么其波函数的变化是符合薛定谔方程的。但是，如果它正在被观察，那它的波函数就会坍缩，这样，你就会观察到它只位于同一个地方，而不是同时位于许多地方。这个坍缩的过程是突然发生的，而且本质上具有随机性。与此同时，你观察到粒子位于某个特定位置的概率是由它波函数的平方决定的。这样，波函数坍缩就巧妙地逃脱了神经兮兮的叠加态，并能解释我们所熟知的、物体在同一时间只出现在同一个地方的经典世界（见图6-8）。表6-3总结了迄今为止我们所探讨过的量子概念以及它们之间的相互关系（希尔伯特空间和最后三个概念将在下一章里讲解）。
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图6-8 波函数Ψ摇摇欲坠。
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表6-3 主要的量子力学概念总结
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哥本哈根解释还包含许多其他方面，但是上面所说的这部分是最广为接受的。我渐渐发现，我的一些同行们尽管欢呼雀跃地视哥本哈根解释为量子力学的最佳诠释，但却无法在其他方面达成共识，这让谈论哥本哈根解释变成了一件时髦的事。正如相对论先驱罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）嘲笑的那样：“对量子力学有许多不同的态度。这些态度数量之多，恐怕比量子物理学家的数量还多。这并不矛盾，因为许多量子物理学家同时持有多种不同的观点。”确实，关于哥本哈根解释究竟对现实世界的本质有何隐喻，哪怕是玻尔和海森堡的意见都有些轻微相左。不过，不管怎样，那时所有物理学家都一致同意，哥本哈根解释与实验室的观测结果十分相符。
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然而，并非所有人都为之兴奋。如果波函数坍缩真的会发生，这将意味着，自然规律中隐藏着随机性的本质。爱因斯坦内心深处对这个解释十分不悦。他认为宇宙不应该是随机的，而应该是确定的。为了表达他的偏好，他说出了那句著名的话，后来被广泛引用：“我不相信上帝会掷骰子。”毕竟，物理学的本质就是由现在预测未来。现在倒好了，物理学的预测功能不仅在实践中无法做到，甚至在理论上都行不通了。即使你聪明绝顶，并且将宇宙中的每一个波函数都谙熟于心，你也无法计算出这些波函数在未来会变成什么样，因为只要宇宙中存在观察者，波函数就会发生随机改变。
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波函数坍缩还引发了其他方面的恐慌，比如，由于坍缩是由观测引起的，于是，观测这一动作被提升到了一个重要的位置。当玻尔大声疾呼“没有观测，就没有真实”时，似乎把人类又推回了中心地位。许多年以来，哥白尼、达尔文等科学家的研究逐渐抹去了人类的傲慢与自大，并对那些认为宇宙万物都围着我们旋转的人类中心论提出了警告。然而，哥本哈根解释却把我们引回了老路。在哥本哈根解释中，现实世界似乎是由人类创造出来的，而我们创造它的方法很简单，只需要看它一眼。
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还有一些物理学家也十分烦恼，因为哥本哈根解释缺乏数学上的严谨性。传统的物理学理论都是由数学公式来描述的，而哥本哈根解释中却没有数学公式来定义究竟什么是观测，即波函数究竟会在何时坍缩。必须要有一个人类观察者才会引发波函数坍缩吗，还是更广义的意识也可以？正如爱因斯坦所问：“月亮会因为一只老鼠看了一下天而存在吗？”那么，机器人会引发波函数坍缩吗？网络摄像头呢？
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关不住的怪兽
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不严格地讲，量子力学的哥本哈根解释告诉我们，微小的事物行为怪异，但较大的事物却很正常。具体地说是指，原子那么小的物体通常会同时出现在几个不同的地方，但是像人这样宏观的物体却无法做到这一点。抛开上面所谈的那些问题不说，这种说法确实站得住脚，只要量子的怪诞性像瓶中之妖一样被限制在微观世界，不偷偷溜进宏观世界大搞破坏就行。但是，它真的被囚禁起来了吗？
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还记得本章开头，我在斯德哥尔摩那间宿舍里复习量子力学吗？那时候，有一件事一直困扰着我，那就是，宏观的物体也是由原子组成的，既然原子可以同时出现在几个不同的地方，那宏观的物体应该也可以才对。但是，有能力做某件事并不意味着这件事一定会发生。你可能会认为，宏观物体之所以没有同时出现在不同的地方，是因为不存在某种可将微观怪诞性放大和传递到宏观世界的物理过程。为了打破这种观点，薛定谔设计出了一个恶魔般的思想实验——薛定谔的猫。
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薛定谔的猫被关在一个盒子里，盒子里有一罐氰化物，罐子的开关与一个放射性原子相连，如果这个放射性原子发生衰变，罐子就会打开，释放出氰化物，杀死猫。实验开始后不久，这个原子将处于衰变和未衰变的叠加态，使得猫处于死去和活着的叠加态。换句话说，单个原子的微观叠加态似乎并没有造成什么影响，但在这个思想实验中，它却能被放大成宏观的叠加态，影响一只由1027个粒子组成的猫，让它同时处在两个状态。另外，即使没有薛定谔的毒气装置，这种叠加态放大的过程也每时每刻都在发生。
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你也许听说过混沌理论（chaos theory）——在经典物理定律的作用下，轻微的差异也可以被指数级地放大，比如北京的一只蝴蝶扇动了一下翅膀，结果引起了斯德哥尔摩的风暴。再举一个更简单的例子，一支铅笔直立在桌上，保持着平衡，但初始状态中的微小扰动却决定了它最终倾倒的方向。混沌动力学能发挥作用，正是因为某个原子的初始状态影响了整个系统，从而走向完全不同的道路。所以，如果原子同时位于两个位置，那么宏观物体也应该同时位于两个地方才对。
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这种怪诞性的放大在量子观测过程中肯定会发生。如果你观测到一颗原子同时处于两个位置[29]，并把这两个位置记录在一张纸上，那么，原子的位置就能决定你手部的运动，进而让你手中的铅笔也同时位于两个地方。
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还有一个不可忽略的事实是，这种怪诞性的放大通常也会发生在你的大脑中。在某一特定时刻，一个特定的神经元是否会被激活，取决于输入它的信号总和能否超过某一个阈值。所以，神经网络也像前面所说的蝴蝶效应和平衡铅笔一样不稳定。
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本书前面也讲过类似的事——我骑着自行车上学，来到那个路口，正要决定是否向右看。假设在那千钧一发的瞬间，在我的前额叶皮层中，一个钙原子进入了一个特定的突触间隙，激发一个特定的神经元发射出电信号，从而触发了一连串的神经元活动，最终在我脑海中形成一个念头：“向右看看吧！”那我的小命就保住了。但是，假设那一瞬间，那颗钙原子同时出现在两个略有差异的位置，半秒钟后，我的小伙伴们就会看见我同时向两个相反的方向骑去。不久之后，我就会同时出现在两个不同的地方，其中一个我会躺在太平间里。这简直就是一个薛定谔猫的人类版本，只不过把那只猫换成了我……
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量子力学的困惑
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再次回到我女朋友位于斯德哥尔摩的宿舍里。在量子力学面前，我陷入了深深的困惑和沮丧。现在你知道原因了吧。我的第一门量子力学课就要考试了。教科书告诉我，哥本哈根解释就是绝对的事实真相，可是我越想越迷惑。量子怪诞性肯定不会被局限在微观世界，薛定谔的猫已经向我们泄露了这个秘密。我并不在意怪诞性本身，当时萦绕我心头的问题是：假设你真的能把薛定谔的猫付诸实验，会发生什么事呢？如果教科书是正确的，你只需要打开盒子往里面看一眼，就在你瞥见的一瞬间，猫的波函数就会坍缩，此时它只有一种确定无疑的状态：要么死了，要么活着。
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