波函数是如何创造出现实世界的？一种革命性的理论揭示了这一点|原子|塌缩|波函数|粒子|薛定谔|量子

在量子力学的世界里，粒子同时处于多个不同状态，或者以超光速相互作用似乎并不令人惊讶。但是，这些奇怪的现象似乎并没有影响到我们熟悉的人类尺度——尽管我们的世界完全是由量子奇异现象的基本构件组成的。对这种转变的解释各种各样，从意识的神秘作用到多重现实的宏大理论。然而，有一种解释给人的感觉像是我们所试图解释的经典世界那样可行。让我们来探讨这种解释是否真的站得住脚。

在量子力学中，粒子没有明确的属性。相反，它们由所谓的波函数来描述

事实上，一个粒子就是它的波函数：一种模糊的分布，只在特定情况下变得明确。

例如，当我们对一个粒子进行测量时，测量的属性（速度、动量、位置等）似乎是从波函数定义的可能值的宽范围中选取的。我们说波函数塌缩了——它似乎缩小到一个窗口，窗口的窄宽度由测量精度决定。

薛定谔的猫就是一个著名的例子。

一位科学家将一只猫和一个与毒气瓶连接的放射性原子放在一个密闭的盒子里。原子有50％的几率衰变，触发毒气释放，从而杀死猫。

在打开盒子之前，从科学家的角度来看，原子的波函数处于我们所说的多态叠加状态。它同时处于衰变和未衰变的状态。那么，猫是不是也处于死亡和活着的叠加状态呢？老实说，可能不是。在原子和猫之间的某一点上（从微观到宏观的过度），原子的波函数塌缩为两个状态之一。“并”变成“或”。“衰变和未衰变”变成了“衰变或者未衰变”，猫是活着或者死了，而不是活着和死了。在亚原子和宏观之间，量子变成了经典。

波函数塌缩（function collapse）的概念最早是由量子理论的主要创立者之海森堡提出的。海森堡和他的朋友尼尔斯·玻尔确信波函数塌缩是真实的。这是他们对量子力学哥本哈根解释的核心部分。但这两位物理学家都不知道波函数塌缩究竟在哪里或如何发生。这也合理，因为这很令人困惑。量子叠加可以涉及许多量子粒子。那么叠加可以扩展多远呢？原子，放射性探测器，毒气瓶，猫，科学家？

关于这个问题的观点有很大差异。约翰·冯·诺伊曼和尤金·维格纳认为波函数塌缩发生在主观意识的瞬间——换句话说，他们认为意识导致了波函数的塌缩。在观点的另一个极端，许多物理学家认为波函数的塌缩是虚构的。例如，在休·埃弗里特的多世界解释中，波函数从不塌缩，而是持续不断地分裂成平行现实。

还有量子退相干的概念，即波函数的不同部分变得无法相互作用。还有德布罗意-玻姆引导波理论，即粒子已经具有隐藏在波函数内的明确属性。波函数可能会塌缩，但粒子保持着严格的物理属性。

但今天我们将探讨一种不同的波函数塌缩方法。这种方法接受波函数作为现实的基本构件，通过塌缩来避免多重宇宙，同时也避免了像意识引起的塌缩这样的神秘解释。

故事始于1986年，当时三位意大利物理学家Giancarlo Ghirardi、Alberto Rimini和Tullio Weber发表了一篇论文（unified dynamics for microscopic and macroscopic systems and tullio weber），概述了后来被称为GRW理论的内容，这是一类新的量子理论——“客观塌缩理论”。

在客观塌缩理论中，波函数是真实的物理实体，在测量时确实会发生塌缩。但这种塌缩与有意识的观察者或任何主观解释无关。波函数和塌缩都是完全真实的、完全客观的——因此得名。

要了解客观塌缩理论是如何运作的，我们需要再了解一点量子力学。波函数的行为由薛定谔方程描述，

该方程跟踪其在空间和时间中的演化。

薛定谔方程是一个线性方程——这意味着如果将这个方程的解相加，结果仍然是该方程的解。这使得叠加成为可能，允许波函数的不同部分对应于不同可能的测量结果，并独立演化。关于薛定谔方程的另一个特点是，它具有时间反演对称性。向前运行它会产生未来的状态，但向后运行它可以完美地恢复过去的状态。

当波函数塌缩发生时，波函数的不同部分会瞬时、非局域、不可逆地相互作用。这意味着波函数塌缩是一个非线性过程，它是不可逆的。它不是薛定谔方程数学描述的一部分。

为了对波函数塌缩的效应进行建模，Ghirardi、Rimini和Weber在薛定谔方程中添加了一个非线性项，这可以使波函数以正好合适的方式塌缩，从而解释为什么亚原子系统可以是量子的，但大系统总是经典的。将这种非线性作用看作是波函数在某个特定位置受到的罕见和随机的冲击。这种冲击使其塌缩到一个特定的值。当它塌缩时，它立即使与其连接的波函数的所有部分塌缩。

使这个工作的关键是这些冲击非常罕见。在实验过程中，单个孤立的量子粒子发生塌缩的可能性非常小。但是，增加的粒子越多，其中一个粒子发生塌缩的可能性就越大，而这个单一事件会使整个系统的波函数塌缩。

任何试图测量孤立量子系统的尝试都意味着将大量粒子引入其中——在测量设备和你的大脑中。有足够多的粒子，塌缩就变得不可避免。

因此，这种机制为量子-经典分界提供了一个可能的解释——它仅取决于涉及的粒子数量。小的粒子可以保持量子状态，但随着尺寸的增加，塌缩为经典状态的几率也会增加，而大的物体基本上永远不会是量子的。

GRW提出，每个粒子每秒的塌缩速率应该约为10^-16次。在这个值下，单个粒子的波函数在大约1亿年内保持未塌缩。

但是，如果有阿伏伽德罗常数的粒子数量——6x10^23个左右，你可以预期每10纳秒左右发生一次塌缩。

GRW是一种具有革命性的理论，激发了许多后续模型，如连续自发定位（CSL）。在CSL中，物理学家想象局部定位机制是一种随机抖动的场，就像漂浮在水上的花粉颗粒的布朗运动一样。

物质与这个波动场的相互作用将不断塌缩波函数，与GRW理论中离散且剧烈的撞击形成对比。

但这些模型都没有真正尝试解释这种机制究竟是什么。他们只是认为有一种神秘的场与所有物质相互作用——就像是第五种基本力。

但Lajos Diósi和后来的Roger Penrose认为没有必要引入某种新的基本力量。他们认为自然已经给了我们一个完美的波函数塌缩源：引力。

引力去相干将同时解释物理学的两个谜团。一是什么导致了从量子到经典的转变？二是为什么引力不能像其他力一样被量子化？所有的塌缩模型试图回答第1点，但只有Diósi和Penrose的模型可以回答第2点：引力不能被量子化，因为引力不是量子的。他们提出，引力与三种量子力是截然相反的。当事物很小的时候，量子力学起主导作用，但增加足够的质量，系统的引力将导致它迅速地变成经典物体。Penrose的理论预测量子力学将被“引力化”。

例如，考虑一个质量巨大的物体。广义相对论指出，该物体的质量会使周围的时空弯曲。但量子力学表示，这个物体可以处于两个位置的叠加态，即它同时处于“这里”和“那里”。

将这两个事实结合起来，将得到两个不同几何时空的叠加。根据Penrose的说法，这是不可能的。不稳定性引入了薛定谔方程中的一个非线性项，导致波函数迅速而随机地选择使物体出现在“这里”或“那里”，而不是两者兼有。因为这些客观塌缩模型涉及对薛定谔方程的修改，它们不仅仅是量子力学的解释，而是具有独特预测能力的不同理论。这意味着，与我们之前讨论过的其他解释（例如，玻姆力学或多世界）不同，客观塌缩模型实际上可以进行测试。一些测试已经排除了一些模型，并对其他模型的非线性参数进行了限制。

直接测试塌缩模型将涉及将一个宏观物体置于“这里”和“那里”的叠加状态，然后测量叠加状态塌缩所需的时间。这个时间应该与物体的大小成正比。实验接近进行这种直接测量所需的质量，但尚未完全达到。

相反，物理学家想出了巧妙的方法来寻找塌缩模型的其他间接迹象。例如，这些模型暗示量子波函数将受到重力或其他某种塌缩场的随机扰动和撞击。如果量子物体恰好带电，那么由这种布朗运动引起的不断颤动和加速意味着它会发射辐射。