引言：本文是Nature網站封面頭條文章，闡述量子力學描述了一種違反直覺的現實，其中觀察行為會影響被觀察的事物——但很少有人能就其含義達成一致。
每個人都有自己最喜歡的技巧，這些技巧可以可靠地完成某項工作，即使他們並不真正理解為什麼。在過去，當影象變得模糊時，它可能就是拍打電視機的頂部。今天，它可能是關閉電腦然後再開啟。
量子力學——現代物理學中最成功、最重要的理論——就是這樣的。它運作良好，解釋了從鐳射和化學到希格斯玻色子和物質穩定性的各種現象。但物理學家們不知道為什麼。或者至少，如果我們中的一些人認為我們知道為什麼，那麼大多數人並不同意。
量子力學是如何在一百年前的幾個月內誕生的
量子理論的獨特之處在於，我們描述物理系統的方式與我們觀察它們時看到的方式截然不同。因此，與以前的物理學框架不同，量子力學的教科書規則需要呼叫特殊過程來描述“測量”或“觀察”。作為一個領域，物理學對於為什麼會這樣，甚至對於它意味著什麼，並沒有達成共識。
物理學家馬克斯·普朗克（Max Planck）和阿爾伯特·（Albert Einstein）分別於 1900 年和 1905 年發表了關於自然界量子行為的論文，首次揭示了量子行為的本質。他們指出，光的某些特性可以透過想象它是離散的粒子狀塊體而不是經典電磁學所描述的平滑波來最好地解釋。但他們的想法不足以描述完整的理論。1925 年，德國物理學家維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）首次提出了量子力學的完整版本。同年晚些時候，馬克斯·玻恩（Max Born）和帕斯夸爾·喬丹（Pascual Jordan）與海森堡一起進行了跟進，埃爾溫·（Erwin Schrödinger）很快提出了該理論的獨立表述1。
因此，將 2025 年作為量子理論的真正百年紀念來慶祝是公平的。儘管這樣的紀念活動可以正確地指出各種令人驚歎的實驗成功，但它必須留出空間來承認尚未解答的基礎問題。量子力學是一座美麗的城堡，如果能確保它不是建在沙子上就好了。
告別過去
自從艾薩克·牛頓在十七世紀創立經典力學以來，物理學理論一直遵循著一定的模式。假設有一個系統：可能是一顆圍繞恆星運轉的行星，或者一個電場，或者一個氣體盒子。在任何一個時刻，系統都由其“狀態”來描述，其中包括系統的當前配置和變化率；對於一個毫無特徵的單個粒子，這相當於它的位置和速度（或者，動量）。然後，你就有了運動方程，它告訴我們系統在當前狀態下將如何演變。這個基本方法適用於從牛頓引力到愛因斯坦相對論的一切理論，後者與量子理論一樣，是二十世紀初的產物。但隨著量子力學的出現，這個方法突然失效了。
經典正規化的失敗可以追溯到一個單一的、具有煽動性的概念：測量。自從有了科學家以來，測量的思想和實踐的重要性就一直被科學家所承認。但在前量子理論中，基本概念被視為理所當然。理論假設的任何物理實量都被假定在任何特定情況下具有某些特定值。如果你願意，你可以去測量它們。如果你是一個粗心的實驗者，你可能會有嚴重的測量誤差，或者在測量時擾亂系統，但這些並不是物理學本身不可避免的特徵。透過更加努力，你可以像你希望的那樣精細而精確地測量事物，至少就物理定律而言。
鐳射實驗探索了量子糾纏的真實性，這一概念與物理學的直觀概念格格不入。圖片來源：Pascal Goetgheluck/SPL
量子力學則講述了一個截然不同的故事。在經典物理學中，電子等粒子在任何給定時刻都有真實、客觀的位置和動量，而在量子力學中，這些量在測量之前通常不以任何客觀方式“存在”。位置和動量是可以觀察到的東西，但它們不是預先存在的事實。這是一個很大的區別。這種情況最生動的含義是海森堡於 1927 年提出的不確定性原理，該原理指出，沒有一種電子狀態可以讓我們提前完美地預測其位置和動量2。
相反，量子理論用波函式來描述系統的狀態，這是薛定諤在 1926 年提出的一個概念，同時提出的還有描述系統隨時間變化的同名方程。對於我們的單個電子，波函式是分配給我們可能觀察到的電子所處的每個位置的數字——換句話說，波可能主要集中在原子核附近，也可能廣泛分佈在整個空間中。
事情變得棘手的地方在於波函式和我們可能想要測量的可觀測量（如位置和動量）之間的關係。在薛定諤的原始論文發表後不久，玻恩就提出了答案4。根據玻恩的解釋，我們永遠無法精確預測量子測量的結果。相反，我們可以透過計算電子位置波函式的平方來確定獲得任何特定結果的機率。這個方法完全顛覆了自牛頓時代以來一直占主導地位的確定性、鐘錶宇宙的理想。
回想起來，一些物理學家接受這一轉變的速度之快令人印象深刻。有些人接受，但不是全部。愛因斯坦和薛定諤等傑出人物對新的量子共識並不滿意。這並不是說他們不理解它，而是他們認為新規則一定是邁向更全面理論的墊腳石。
不確定性的出現經常被描述為他們對量子理論的主要反對意見——用愛因斯坦那句令人難忘的話來說，“上帝不會和宇宙擲骰子”。但真正的擔憂更深。愛因斯坦特別關心區域性性，即世界由存在於時空中特定位置的事物組成，它們與附近的事物直接相互作用。他還關心現實主義，即物理學中的概念對映到真實存在的世界特徵上，而不僅僅是計算便利。
“閉嘴，計算一下”：愛因斯坦為何在解釋量子現實方面失敗
愛因斯坦最尖銳的批評出現在 1935 年著名的 EPR 論文5中——以他和他的合著者鮑里斯·波多爾斯基和內森·羅森的名字命名——標題為“量子力學對物理現實的描述可以被認為是完整的嗎？”。作者們根據他們強調的一個關鍵量子現象給出了否定的回答，這個現象後來被稱為糾纏。
如果我們有一個粒子，波函式會為它可能擁有的每個位置分配一個數字。根據玻恩規則，觀察到該位置的機率是數字的平方。但如果我們有兩個粒子，我們就沒有兩個波函式；量子力學為雙粒子系統的每個可能同時配置賦予一個數字。當我們考慮越來越大的系統時，它們繼續由一個波函式來描述，直到整個宇宙的波函式。
因此，觀察到一個粒子在某處的機率可能取決於我們觀察到另一個粒子在何處，無論它們相距多遠，這都是正確的。EPR 分析表明，我們可能在地球上有一個粒子，而在光年之外的行星上有一個粒子，我們對遠處粒子測量結果的預測可能會“立即”受到我們對附近粒子測量結果的影響。
引號提醒我們，根據狹義相對論，即使是“同時”的概念對於空間中相距很遠的點也沒有很好的定義，愛因斯坦比任何人都清楚這一點。糾纏似乎違背了狹義相對論的原則，因為它暗示資訊傳播速度比光快——否則遙遠的粒子怎麼能“知道”我們剛剛進行了測量？
我們實際上無法利用糾纏進行遠距離通訊。透過測量這裡的量子粒子，我們現在知道了遠處會觀察到什麼，但實際上身處遙遠地方的人無法獲得我們所擁有的知識，因此無法進行通訊。但量子理論描述世界的方式與我們在愛因斯坦相對論中認為的時空運作方式之間至少存在一定的矛盾。
迴歸現實
為解決這一矛盾而做出的努力層出不窮，但目前尚無明確的共識。事實上，圍繞我們能想到的最核心問題，仍然存在重大分歧：量子波函式是否應該代表現實，還是我們用來計算實驗結果機率的工具？這個問題從根本上分裂了愛因斯坦和丹麥物理學家尼爾斯·玻爾，他們就量子力學的含義進行了數十年的著名辯論。愛因斯坦和薛定諤一樣，是一個徹底的現實主義者：他希望他的理論能夠描述我們可能認為是物理現實的東西。玻爾和海森堡都願意放棄任何關於“真正發生的事情”的討論，而是專注於預測測量時會發生什麼。
多重世界理論的奇異邏輯
後一種觀點引發了對量子理論的“認識論”解釋。玻爾和海森堡的觀點被稱為哥本哈根解釋，與當今物理學家在教科書中教授的內容非常接近。現代版本包括 QBism 6（“量子貝葉斯主義”的縮寫）和關係量子力學7。這兩種解釋都強調了量子態不應被視為獨立的，而應被視為相對於觀察者、測量過程和該過程中知識狀態的變化。
認知方法的一個好處是，對超光速影響的擔憂消失了。當觀察者進行測量時，他們會更新他們的知識；沒有任何東西在物理上從一個糾纏粒子傳播到另一個粒子。缺點是這些方法完全沒有回答現實到底是什麼的問題，而這個問題對物理學來說很重要（或者應該很重要）。考慮到波函式在某些情況下確實像物理事物一樣運作，這一點尤其成問題。例如，波函式可以與自身發生干涉，如雙縫實驗所示。穿過兩個狹縫並在另一側重新結合的波函式將根據波的振盪發生建設性或破壞性干涉。這聽起來確實像真實物理事物的行為。
尼爾斯·玻爾（左）和阿爾伯特·愛因斯坦（右二），與物理學家詹姆斯·弗蘭克（坐著）和伊西多·拉比合影。圖片來源：Everett Collection Historical/Alamy
另一種方法是本體論方法，即承認量子態代表現實（至少部分代表現實）。問題在於我們永遠無法“看到”波函式本身；我們只用它來預測我們所看到的東西。我們可以將波函式視為代表許多可能測量結果的疊加。但是，一旦我們進行了測量並記錄了一個結果，就很難抗拒將結果視為真實的東西，而不是之前可能性的抽象疊加。
有許多量子力學的本體模型可以調和波函式的中心性與其與觀測的微妙關係。在導航波或隱變數模型中，波函式是真實的，但也有額外的自由度來表示粒子的實際位置，而後者才是被觀測到的。在休·埃弗裡特（Hugh Everett）稍後提出的埃弗裡特詮釋或多世界詮釋中，觀察者與他們測量的系統糾纏在一起，每個允許的結果都在波函式的不同分支中實現，這些分支被解讀為平行世界。在不同形式的客觀坍縮模型中，波函式偶爾會調整自身（違反傳統的薛定諤方程），使其看起來像我們觀察到的半經典現實。
量子理論是否意味著整個宇宙都是預先確定的？
儘管人們通常認為這些方法是對量子力學的相互競爭的解釋，但這是一種誤解，因為它們是不同的物理理論。客觀坍縮模型具有各種明確的實驗後果；最引人注目的是，當波函式客觀坍縮時，它違反了能量守恆定律，這在超冷原子系統中可能是可以觀察到的。測試正在進行中，但尚未發現這些影響的證據。據大家所知，沒有實驗可以區分導航波方法和埃弗雷特方法。（每種方法的支持者往往認為另一種方法定義不明確。）
因此，物理學家們對於測量到底是什麼、波函式是否代表物理現實、除了波函式之外是否還有其他物理變數，或者波函式是否總是遵循薛定諤方程，並沒有達成一致。儘管如此，現代量子力學還是為我們提供了科學領域中一些經過最精確測試的預測，理論和實驗之間的一致性可以達到小數點後幾位。
相對論量子場論是所有現代粒子物理學的基礎，它必定是量子力學最偉大的成就之一。為了適應粒子可以創造或毀滅這一觀察到的事實，以及相對論的對稱性，它的出發點是遍佈整個空間的量子場。量子理論的規則意味著，這種場中的小振動自然地似乎是單個粒子的集合。這些振動相互之間的反覆影響導致了大量可觀察到的現象，這些現象已被實驗奇妙地證實，從夸克如何被限制以產生質子和中子，到希格斯玻色子的存在。這種粒子來自遍佈整個空間的希格斯場的振動，它賦予其他粒子質量，並解釋了為什麼弱核力的射程如此之短。根據宇宙膨脹理論，恆星和星系的起源甚至可以追溯到早期宇宙密度的微小量子變化。
並非全部存在
但儘管量子場論取得了諸多成功，它也有自己的難題。眾所周知，直接計算兩個粒子散射機率的量子修正值通常會得到無窮大的答案——這不是你希望機率具有的特徵。現代物理學已經透過使用“有效場論”解決了這個問題，這種理論試圖僅描述（相對）低能量和動量下的過程，而麻煩的無窮大完全不存在。
愛因斯坦、玻爾與量子理論之爭
但這一框架仍給我們留下了“自然性”問題。在有效場論方法中，我們在低能量下觀察到的引數代表了極高能量下不可觀測過程的綜合效應。這種理解使我們能夠預測希格斯質量或真空能量密度等引數的自然值應該是多少。但這些數字的觀測值遠低於預期——這個問題仍有待令人信服的解決方案。
然後，最大的問題就是：構建引力和彎曲時空的基本量子理論的難度。該領域的大多數研究人員認為量子力學本身不需要任何修改；我們只需要研究如何以一致的方式將彎曲時空融入故事中。但我們似乎離這個目標還很遠。
與此同時，量子理論的無數表現形式繼續在越來越多相對實用的技術中得到應用。量子化學為先進藥物、奇異材料和能量儲存的設計開闢了道路。量子計量和感測使物理量的測量達到了前所未有的精度，甚至包括探測到十億光年外黑洞產生的引力波經過時引起的鐘擺的微小擺動。當然，量子計算機有望以傳統原理無法實現的速度執行某些計算。
所有這些都是在人們尚未就量子力學的核心工作原理達成完全一致的情況下發生的。從歷史上看，技術進步往往促進了（甚至是必然）基礎理解的改進。我們不斷髮明新方法來打破現實，並樂觀地認為模糊的畫面最終會清晰起來。
自然 638 , 31-34 (2025)
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00296-9
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