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被审查的量子怪诞性
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天哪！竟然起作用了！那是1991年11月，在伯克利的一个夜晚，外面漆黑一片，我正坐在书桌前，在一张纸上捣鼓各种各样的数学符号。我感到胸中涌动着一阵从未有过的兴奋。这是真的吗，我真的发现了如此重要的事情？我需要确认一下。
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我经常想，在科学领域，最难的部分不是找到正确的答案，而是提出正确的问题。如果你遇到了一个相当有趣、成熟的物理学问题，它就会自动告诉你需要什么计算过程才能回答这个问题，剩下的部分就几乎是自动进行的了。即使数学推算需要花上几小时甚至几天的工夫，但感觉起来就像是在钓鱼，鱼儿已经上钩，只消拉一下线就能看到钓到了什么。我很幸运，一不小心就撞上了一个这样有趣的问题。
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当时，我已经学到，与波函数坍缩有关的事可用一种数表来概括，在物理学的行话里，这种数表叫作“密度矩阵”（density matrix）。密度矩阵不仅表示了某个物体的状态（也就是它的波函数），还包含了我对该波函数的不完备知识[35]。比如，如果有个物体能同时出现在两个不同的地方，关于此，我的知识可以被描述为一个2×2的数表，以下是两个例子：
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在这两个例子中，我在其中一个地方找到它的概率都为0.5，这个信息被编码成两个数字，分别写在每个矩阵的对角线上（左上角的0.5和右下角的0.5）。除此之外，每个数表里还有两个数字，用极客的行话说就是“密度矩阵非对角元”，表示量子和经典不确定性之间的区别。当它们都等于0.5时，它们就处于一个量子叠加态（比如薛定谔的猫同时处于死了和活着的两个状态）；如果它们都等于0，那我们面对的就是古老而熟悉的经典不确定性，就像我唱歌时找不着调的感觉一样。所以，当你把这些非对角元都换成0的时候，你就让波函数发生了坍缩！
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我们在上一章已经看到，量子力学的哥本哈根解释告诉我们，如果你朋友观察一个物体，但是不告诉你结果，那他就坍缩了波函数，这个物体就会要么在这里，要么在那里，总之肯定处在一个确定无疑的地方，只不过你并不知道是哪个地方。换句话说，哥本哈根解释认为，“观察”这个动作用某种神秘的方式让非对角元都变成了0。
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我很怀疑，是否有某些不那么神秘的物理过程也能做到这一点呢？如果有一个封闭孤立的系统，不与外界发生任何交互，用薛定谔方程很容易证明，那些讨厌的数字永远不会消失。但是，真实的系统却不可能是孤立的，于是我开始问自己，在这些系统中，情况又是如何呢。比如，当你正在读这句话时，空气分子和光子不断撞击着你的身体。所以，如果某个物体同时处在两个不同的地方，当其他物体和它相撞时，那个描述它的2×2数表又会发生什么事呢？
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这就是那个奇妙的“自问自答”问题，剩下的一切秘密都会自动展开。为了简化，我把那个物体和与之相撞的一颗粒子看作一个孤立的系统，用薛定谔方程来计算接下来会发生什么事。
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几个小时后，我坐在那里，面前摆着几大张纸，密密麻麻写满了数学符号。我喘了一口气，那些非对角元会变得非常接近0，就像波函数坍缩了一样！当然，它并没有真正坍缩，平行宇宙依然存在，却出现了一种崭新的效应。有了这种效应，不管你从什么方向看、从哪个角度闻，波函数都像是坍缩了一样，看起来和真正的坍缩没什么两样。这样，我们就无法观察到一个物体同时位于两个地方。所以，量子怪诞性并没有消失，它只是被审查了！就像新闻被审查一样，事情并不是没有发生，只是你看不见而已。
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我的结论是，量子力学需要进行保密：某个物体的位置只有在不为世界所知晓的情况下，才能同时处于两个位置的叠加态。如果秘密被泄露了，所有量子叠加态效应就会瞬间坍缩，变得不可观测，从我们实际观察到的角度看，也就是说物体瞬间变成了“这里”和“那里”二选一的状态，只不过你不知道是哪一个。
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那如何才算泄露秘密呢？如果一个实验室技术人员测定了它的位置，把它记录在纸上，这很明显是一种信息泄露。但是，还有很多情况都可以被看成是秘密泄露，哪怕只是一个光子撞到了这个物体上，关于位置的信息也被泄露了——物体的位置信息就被编码进了光子接下来的位置信息中。根据所撞物体所在的位置不同，1纳秒后，这颗光子将处在两个十分不同的位置（见图7-5）。所以，只要你能测定光子的位置，你就能计算出镜子的位置。
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在上一章的开头部分，我曾陷入深深的疑惑，不明白波函数坍缩是否一定需要人类观察者作为条件，还是说机器人也可以。现在，我已确信，此事与意识毫不相关，因为一颗小小的粒子也能做到这件事——单个光子撞到一个物体上，对该物体的影响，等同于它被一个人观察到。我意识到，量子力学里所说的观测并不是指人类有意识的观测，而仅仅是指信息的交换。最后，我终于理解了为什么我们永远看不到宏观物体同时处在两个位置，即使它们实际上确实同时位于两个位置：这并不是因为它们个头很大，而是因为它们很难被分离成孤立的系统！
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一般情况下，一个保龄球每秒会受到1020和1027个空气分子的撞击。很显然，从定义上说，我们不可能看见一个不被光子撞击的物体，因为物体能被我们看见正是因为撞击在它表面的光子（也就是光）进入了我们的眼睛。所以，即使一个保龄球同时处在两个地方，它的量子叠加态也会早在我意识到它之前就消失在视线中。相比之下，如果你用一台绝好的真空泵不断向外泵出尽可能多的空气分子，那么，一般来说，一颗电子在大约1秒的时间内不会撞到任何东西。这个时间对证明诡异的量子叠加态行为来说，已经远远足够了。比如，一颗电子在原子内绕一圈只用花费10-15秒，所以，在如此“漫长”的1秒钟时间内，它同时出现在原子各个方位的能力几乎不会受到什么影响。
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此外，如果一个空气分子撞到一个保龄球，并把保龄球的位置信息编码入自己的位置信息（见图7-5），由于这个分子很快就会和其他空气分子相撞，那么，保龄球的位置信息就会迅速传递给其他分子。
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这很像维基解密在网上公布了一些绝密的信息，这个信息会被人拷贝，接着，拷贝的版本也会被拷贝……很快，情况就变得不可控制，根本不可能再把这个信息从公众视线中完全剔除，再次变成保密状态。对保龄球来说，如果你不能再把它的信息变成秘密，它就不可能继续维持量子叠加态。现在，我终于明白了我们为什么看不到第三层平行宇宙了！
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图7-5 如果你在一间黑暗的房间里拍摄一张闪光照片，照相机所捕捉到的光子中编码了房间里的各种信息。这张图展示了单个光子如何能“测量”物体——当一个光子撞到一面镜子后，光子就将镜子的位置信息编码到自己的位置信息内。如果镜子处于A处和B处的量子叠加态，那么，发现它位置的究竟是一个人还是一个光子，完全不重要，因为这两种情况都会毁掉它的量子叠加态。
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那天晚上，我简直超常发挥，干什么都很顺利。我还进行了定量计算，得到了更多细节。比如，大多数物体同时所处的位置其实并不止两个，而是许多个，我把这个也算出来了，正如图7-6里画的那样。我发现，基本上只要一个光子就能把量子叠加态几乎完全摧毁，但能留下一点点残余物——一个小小的、只有光子波长那么宽的叠加态。一个波长为0.000 5毫米的光子就像一个观察者，但本质上说，这个光子观察者对物体位置的测量只能精确到0.000 5毫米。上一章我们已经讲过，所有粒子都具有波动的性质，因此都拥有波长，而我的发现表明，任意一个粒子撞到某个物体上面，大于粒子波长的量子叠加态都将会摧毁殆尽。
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图7-6 关于倒下的扑克牌，你所知道的信息可以表示为一个所谓的密度矩阵。密度矩阵可以表示为一个起伏不平的曲面，就像图中所示的鼓出的四座山峰。对角线（已用黑线描出）上两座“山峰”的高度代表扑克牌位于不同位置的概率。而另外两座山峰，不严格地讲，表示了量子怪诞性的程度，也就是它同时位于不同位置的性质。左边的密度矩阵中，有两座山峰被标记了“量子干涉”，代表扑克牌同时位于两个不同的地方，处于量子叠加态。当一颗光子撞到扑克牌后，发生退相干，将两座山峰抹平，得到了右边的密度矩阵，代表着扑克牌位于一个确定的位置，也就是两个地方二选一，你只是还不知道究竟是哪一个。这些山峰的宽度相当于与正面朝上和正面朝下相关的残余量子不确定性。
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时光荏苒，我早就知道了自己热爱物理学，并想为这个领域鞠躬尽瘁，但我以前并不知道自己是否真的具备研究物理的能力、是否真能为之添砖加瓦，还是只能学习前人的成就、在领域边缘的观众席上为他人鼓掌。那天夜晚，当我终于平复思绪，躺到床上时，我人生中第一次满怀信心地对自己说：“是的，我能！”会不会有人把我当晚的发现命名为“泰格马克效应”？我知道，不管结果如何，我永远不会忘记那个兴奋的夜晚。想到自己所获得的种种机会以及那些曾启发我灵感、引领我踏上伟大科学征程的师长，我感到自己真的很幸运。这一切太完美了，完美得简直不像真的。事实证明，确实如此……
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两个星期后，我对那晚的发现进行了扩展计算，写出了一份论文草稿，初步命名为《散射引起的表观波函数坍缩》（Apparent Wave Function Collapse Caused by Scattering）。“散射”（scattering）是一个科技术语，用来表示粒子在物体表面撞来撞去的行为。这是我第一次为了公开发表而撰写学术论文，感觉很像小时候的圣诞前夜。我是个左撇子，写一手惨不忍睹的字（上学时，几乎每份作业后老师都会留下“请书写工整一点！”的评语），一想到论文发表后，我乱七八糟的手写体会变成工整的印刷体，我心里就十分兴奋。
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与此同时，我陷入了一种有趣的妄想症，总害怕自己的发现已经被别人公开发表过，只是不知为何被我忽略掉了。然后我又安慰自己，如果这么基本的东西早已被人发现，它一定会出现在教科书上，我的研究生量子力学课堂上也肯定会讲到这一点。在查找资料的过程中，每当我翻开一本可疑的参考书时，手都止不住地颤抖，生怕里面已经提到了我的新发现。到目前为止，一切还算好……