婴儿们可能连1和2的区别都分不清,数学能力几乎为零,但他们却在不经意间,展现出了连顶尖物理学家都惊叹的“量子力学天赋”——至少在对“现实本质”的感知上,他们的视角与量子世界的诡异逻辑不谋而合。

这听起来像是天方夜谭,但只要回想一下每个婴儿都乐此不疲的躲猫猫游戏,就能找到其中的关联。

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对成年人而言,躲猫猫是一种无聊到极致的游戏:我们用手捂住脸,再慢慢移开,重复着简单的动作,却能让怀里的婴儿笑得咯咯作响。大人们很难理解这种乐趣的来源,但从婴儿的认知角度来看,这背后藏着一个关键的心理学概念——客体永久性缺失。所谓客体永久性,是指当一个物体从我们的视线中消失时,我们依然能明确知道它依然存在,不会凭空消失。

但婴儿不具备这种认知,在他们的世界里,“看不见”就等于“不存在”。当你把脸藏在手后,婴儿的大脑会默认“你已经消失了”;而当你把手拿开,露出熟悉的脸庞时,在他们眼中,你不是“重新出现”,而是“凭空诞生”——这种违背常规逻辑的“魔法时刻”,正是躲猫猫能让婴儿乐此不疲的核心原因。

然而,这种“量子式”的认知并不会持续太久。随着婴儿逐渐长大,他们会在一次次的观察和体验中,建立起客体永久性的认知:玩具被放进抽屉,不会消失;妈妈走出房间,还会回来;杯子掉在地上,即使被桌子挡住,依然存在于某个角落。

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这种认知会深深扎根在我们的脑海中,成为一种无需思考的本能。当我们长大后学习物理时,客体永久性已经成为一种默认的前提,没有任何一本基础物理教材会专门讲解“为什么我们不看一个物体,它依然存在”——因为在所有人看来,这是天经地义、无需证明的事实。

但很少有人意识到,这种“即使不观测,宇宙依然真实存在”的想法,其实是所有经典物理学中最基本、最核心的隐含假设。无论是牛顿经典力学,还是麦克斯韦电磁学,都理所当然地认为,宇宙是客观存在的,它的运行规律不会因为观测者的存在与否而改变。

这种“宇宙独立于观测者意识而存在”的概念,在物理学中被称为“实在论”,它就像一根无形的支柱,支撑着整个经典物理学的大厦。绝大多数科学家都坚信,不管我们是否在观察,宇宙的星辰、行星、粒子,都在按照自己的规律运行,不会因为我们的目光而改变形态、消失或诞生。

直到量子力学的出现,这根看似坚不可摧的支柱,第一次受到了前所未有的挑战。量子力学的诞生,彻底颠覆了人类对宇宙的认知,它的诡异程度,甚至让很多顶尖物理学家都感到困惑和不安,其中就包括量子力学的奠基人之一尼尔斯·玻尔,以及相对论的创立者阿尔伯特·爱因斯坦。

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量子力学的核心诡异之处在于:它似乎在告诉我们,实在论可能是错误的,宇宙的存在,或许与观测者的意识息息相关。这一观点,也成为了量子力学诞生之初,最激烈、最持久的辩论焦点——一场围绕“现实本质”的世纪之争,就此拉开序幕。

这场争论的核心,在于对“量子系统状态”的不同理解,而争论的双方,都是物理学史上的巨擘。一方面,尼尔斯·玻尔坚持认为,不加观测就赋予宇宙以“现实性”,是没有任何意义的。在他看来,在没有进行测量之前,量子系统并不是处于一个确定的状态,而是处于一种所有可能属性的模糊混合状态——这种状态,我们称之为“叠加态”。

为了更好地理解叠加态,我们可以举一个经典的例子:电子的自旋。

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电子的自旋方向只有两种可能——向上或向下,但在没有对电子进行测量之前,电子并不是处于“向上”或“向下”中的某一种状态,而是同时处于“向上”和“向下”两种状态的叠加之中。描述这种叠加态的数学工具,叫做“波函数”,玻尔认为,波函数就是对量子现实的完整描述,在没有观测的情况下,谈论电子的具体自旋方向,是没有意义的。

只有当我们进行观测时,波函数会瞬间“坍缩”,量子系统才会从模糊的叠加态,变成一个确定的状态——比如电子的自旋突然变成向上,或者向下。

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这也就意味着,我们熟知的、确定的物质宇宙,只有在观测的时候才有意义;而在没有观测的时候,宇宙可能只是一种模糊的、抽象的量子叠加态,既存在又不存在,既在这里又在那里。这种“时有时无”的宇宙观,正是玻尔提出的“哥本哈根诠释”的核心,也是量子力学最具争议的观点之一。

而争论的另一方,阿尔伯特·爱因斯坦,则坚决反对玻尔的这种观点。

在爱因斯坦看来,现实必然是客观的,它独立于我们对其的观测之外——无论我们是否观测,电子的自旋方向都应该是确定的,宇宙的运行规律也不会因为观测者的意识而改变。他始终坚信,波函数乃至整个量子力学,都只是一种“不完整”的理论,必然存在着某种我们尚未发现的“隐变量”,这些隐变量决定了量子系统的具体状态,只是我们目前还无法探测到它们。

爱因斯坦始终无法接受玻尔那种“观测创造现实”的观点,他认为这种想法是荒谬的、违背常识的。为了反驳玻尔,证明哥本哈根诠释的不合理性,爱因斯坦与他的同事波多尔斯基、罗森一起,提出了一种极具挑战性的量子情景——这就是后来闻名于世的“爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论”,简称EPR悖论。这个悖论的提出,不仅加剧了玻尔与爱因斯坦之间的争论,更引入了量子力学中最神秘、最令人困惑的概念之一——量子纠缠。

EPR悖论的核心逻辑的是:如果我们摒弃实在论的假设(即宇宙独立于观测者存在),那么我们就必须同时摒弃另一个近乎神圣的物理观念——定域性。

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而定域性,正是爱因斯坦相对论的核心基础之一。所谓定域性,是指宇宙中的每一个点,都只能与其相邻的位置发生相互作用,任何因果关系的传播速度,都不可能超过光速。这也就意味着,两个相隔遥远的物体,不可能瞬间相互影响,它们之间的作用,必须通过某种媒介,以不超过光速的速度传递——这是相对论的基本准则,也是人类对宇宙因果关系的基本认知。

而爱因斯坦等人提出的量子情景,恰恰挑战了这一准则。他们设想:当两个粒子短暂相互作用后,它们会相互影响彼此,使得它们的各种属性(比如自旋、偏振等)以某种特定的方式相互关联。在没有对这两个粒子进行测量之前,它们的状态都是不确定的,量子力学要求我们用一个单一的组合波函数,来描述整个粒子对——这个波函数包含了每个粒子的所有可能状态,这样的两个粒子,就被称为“纠缠对”。

根据哥本哈根诠释,对纠缠对中任何一个粒子的测量,都会自动使整个组合波函数瞬间坍缩,进而影响另一个粒子的测量结果——无论这两个粒子之间相隔多远,哪怕是相隔数光年,这种影响都是瞬间发生的,不需要任何传播时间。这种瞬间的、超距离的影响,不仅违背了定域性原则,甚至有可能违背因果律——因为它意味着,一个粒子的状态变化,会在瞬间影响到另一个遥远的粒子,这种速度远远超过了光速,而相对论明确禁止任何信息或影响的传播速度超过光速。

爱因斯坦将这种瞬间的超距作用,嘲讽为“幽灵般的超距作用”,他认为这是极其愚蠢的,也是不可能存在的。

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在他看来,宇宙中的每一个特定点,必然是真实而存在的,并且具有可知的物理量,它们之间的相互影响,绝对不可能超过光速。他坚信,EPR悖论的提出,已经证明了哥本哈根诠释的荒谬,也证明了量子力学的不完整性——隐变量必然存在,只是我们还没有找到而已。

在当时的物理学界,玻尔与爱因斯坦之间的争论,听起来更像是一场哲学辩论,而不是科学争论。因为双方的观点,都无法通过实验来验证——量子纠缠的状态极其脆弱,很难产生,更难维持,任何微小的外界干扰,都会破坏两个粒子之间的纠缠关系,导致实验无法进行。因此,这场关于“现实本质”的争论,一直停留在理论层面,谁也无法说服谁。

这种僵局,一直持续到1964年,才被一位名叫约翰·斯图尔特·贝尔的爱尔兰物理学家打破。贝尔并没有直接参与玻尔与爱因斯坦的争论,而是提出了一个极具创新性的实验方案——通过实验来验证,到底是爱因斯坦的隐变量理论正确,还是玻尔的哥本哈根诠释正确。这个实验的核心,就是基于量子纠缠,通过测量纠缠粒子的属性,来验证一个关键的数学关系式——贝尔不等式。

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贝尔的思路非常清晰:他假设爱因斯坦是正确的,即存在隐变量,并且定域性原则成立(即粒子之间的影响不会超过光速)。那么,通过测量纠缠粒子的某些属性(比如自旋),得到的结果应该满足贝尔不等式;反之,如果玻尔是正确的,即不存在隐变量,波函数坍缩是瞬间发生的,那么测量结果将会违背贝尔不等式。简单来说,贝尔不等式就像是一个“裁判”,它可以通过实验结果,来判断这场世纪之争的胜负。

为了让实验更具可操作性,贝尔设计了一个具体的实验场景:使用自旋纠缠的电子和正电子对。当一个光子衰变时,会同时产生一个电子和一个正电子,这两个粒子的自旋方向,必然是相反的——也就是说,如果电子的自旋向上,正电子的自旋就向下;如果电子的自旋向下,正电子的自旋就向上。但在没有对它们进行测量之前,我们无法知道任何一个粒子的具体自旋方向,只能知道它们的自旋方向必然相反,因此,它们的波函数是相互纠缠的。

这里需要特别注意的是,在量子力学中,测量本身会影响被测量的对象——这也是量子力学与经典物理学最本质的区别之一。以电子的自旋为例,测量的影响尤其诡异:我们是通过“转轴”来定义自旋方向的,这个转轴可以指向任何方向(比如垂直方向、水平方向,或者任意一个倾斜方向)。但为了测量电子的自旋,我们必须选择一个特定的方向来放置测量仪器——而一旦我们选择了测量方向,被观测的电子的自旋方向,就会被迫与我们所选的测量方向对齐。

比如,如果我们选择垂直方向进行测量,那么电子的自旋就只会呈现出“向上”或“向下”两种状态,不会有其他可能性;如果我们选择水平方向进行测量,那么电子的自旋就只会呈现出“向左”或“向右”两种状态。也就是说,测量行为本身,会改变量子系统的状态——这正是玻尔所强调的“观测创造现实”,也是爱因斯坦无法接受的核心点。

而贝尔实验的关键问题就是:当我们测量纠缠对中的一个粒子的自旋方向时,这种测量行为,会如何影响另一个粒子的自旋方向?这个问题的答案,直接决定了玻尔与爱因斯坦之争的胜负。

我们可以分两种情况来分析:

情形一:爱因斯坦是正确的,存在隐变量,且定域性成立。

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在这种情况下,每个粒子在产生的那一刻,其自旋方向(以及所有可能的测量结果)就已经由隐变量确定了,并且独立存在于粒子自身内部。之后,我们对其中一个粒子的任何操作(包括测量),都不会对另一个粒子产生任何影响。当我们测量两个粒子的自旋方向时,两者的结果会有一定的对应关系——因为它们在产生时就已经关联(自旋方向相反),但这种对应关系,与我们选择的测量方向没有关联。也就是说,即使我们选择不同的测量方向,两个粒子的自旋方向可能相反,也可能相同,不存在必然的对应关系。这种情况下,实验结果会满足贝尔不等式。

情形二:玻尔是正确的,不存在隐变量,波函数是对量子现实的完整描述。在这种情况下,在粒子产生与被测量之间,电子和正电子只以包含所有可能状态的波函数形式存在,它们的自旋方向是不确定的。当我们对其中一个粒子的自旋方向进行测量时,会使整个纠缠波函数瞬间坍缩为具体的固定值,两个粒子会在我们所选择的测量方向上,呈现出相反的自旋方向。

这种情况下,我们为前一个粒子选择的测量方向,与之后测量另一个粒子得到的自旋方向,会存在明确的关联——也就是说,两者的自旋方向必然相反。这正是爱因斯坦所嘲讽的“幽灵般的超距作用”,也是哥本哈根诠释的核心预言。这种情况下,实验结果会违背贝尔不等式。

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贝尔不等式的提出,为这场世纪之争提供了一个可验证的标准,但实验的实施,却面临着巨大的困难。因为纠缠量子态极其脆弱,任何微小的外界干扰(比如温度变化、电磁辐射、粒子碰撞等),都会破坏两个粒子之间的纠缠关系,导致波函数提前坍缩,实验结果失效。因此,在贝尔提出实验方案后的近20年里,始终没有人能够成功完成这个实验。

直到上世纪80年代,法国物理学家阿兰·阿斯佩(原文阿兰-阿佩斯为翻译误差,标准译法为阿兰·阿斯佩)终于攻克了这一难题,成功完成了第一个验证贝尔不等式的实验。与贝尔最初设计的实验不同,阿斯佩没有使用自旋纠缠的电子和正电子对,而是使用了偏振纠缠的光子对——光子的偏振,指的是光子电磁场的振动方向,其原理与电子自旋的纠缠是相似的:两个纠缠的光子,其偏振方向必然存在某种固定的关联,在没有测量之前,它们的偏振方向处于叠加态,只有在测量时,才会坍缩为确定的方向。

阿斯佩的实验设计非常精密,他通过特殊的装置,产生了大量的偏振纠缠光子对,并将它们分别发送到两个相隔一定距离的测量仪器中。实验中,他不断改变其中一个光子的测量方向,然后记录下两个光子的偏振测量结果,并对结果进行统计分析。

实验的结果,让整个物理学界震惊:阿斯佩发现,对一个光子选择的偏振测量方向,与其纠缠对象最终测得的偏振方向之间,存在着明确的关联,这种关联程度,远远超过了贝尔不等式的限制——也就是说,贝尔不等式被违背了!更令人震惊的是,阿斯佩通过巧妙的实验设计,使得两个纠缠光子之间的影响,只能以超光速的速度传播——也就是说,这种影响的传播速度,最低都比光速还要快,完全违背了定域性原则。

阿斯佩的实验,是量子力学发展史上的一个里程碑。在那之后,世界各地的科学家们,不断改进实验装置,在越来越大的尺度上,重复验证了这一结果。有科学家在实验室中,将纠缠光子分开数米、数十米,甚至数公里的距离,依然观测到了那种瞬间的、超距的影响。这些实验都一致证明:贝尔不等式确实被违背了,波函数不可能存在定域隐变量——爱因斯坦的隐变量理论,被实验彻底否定了。

实验结果出来后,一个新的问题摆在了物理学家们面前:贝尔不等式被违背,是否就意味着哥本哈根诠释是完全正确的,同时否定了定域性和实在性?我们真的生活在一个时有时无的宇宙中,在我们不看它的时候,它就会消失在量子抽象的叠加态之中吗?

答案并没有这么简单。事实上,贝尔不等式被违背,只是证明了“定域实在论”是错误的,但这并不意味着我们必须同时放弃定域性和实在性——它只意味着,我们必须放弃其中之一,或者找到一种全新的解释,来兼顾两者。

贝尔博士本人,在看到实验结果后,也曾表示:违背他的不等式,否定的只是定域性,而实在性是可以被保留的。也就是说,我们可以依然坚信,宇宙是客观存在的,独立于观测者的意识之外,但我们必须接受,宇宙是非定域的——纠缠粒子之间,确实存在着瞬间的、超距的相互影响。

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非定域性,这个看似违背相对论的概念,其实与相对论并不矛盾。相对论的核心要求,是因果律的维持——即信息不能超光速传播,因为如果信息可以超光速传播,就会出现“时光倒流”的悖论,违背我们对因果关系的基本认知。而所有的量子纠缠实验中,虽然纠缠粒子之间的影响是瞬间的、超距的,但这种影响,并不能用来传递任何有用的信息。

具体来说,当我们测量一个纠缠粒子的状态时,虽然另一个粒子的状态会瞬间坍缩,但我们无法控制这个坍缩的结果——它是随机的、不可预测的。我们只能在测量完成后,将两个粒子的测量结果进行对比,才能发现它们之间的关联;而在测量之前,我们无法通过改变一个粒子的状态,来传递任何信息给另一个粒子。因此,这种超距影响,并不会违背相对论的因果律,宇宙也成功避免了信息超光速传播或逆时传递的悖论。

直到今天,哥本哈根诠释依然是量子力学中最被广泛接受的诠释之一,它与所有的量子观测结果都相符,玻尔那种“时有时无”的宇宙观,也可能正是我们所生存的宇宙的真实面貌。但这并不意味着,哥本哈根诠释是唯一的答案——事实上,随着量子力学的不断发展,科学家们提出了多种不同的诠释,来解释量子纠缠和贝尔不等式被违背的现象,其中最具代表性的,就包括隐变量理论的延伸(非定域隐变量)、虫洞诠释和多重宇宙诠释。

非定域隐变量理论,是爱因斯坦隐变量理论的延伸。它承认贝尔不等式被违背,放弃了定域性原则,但依然保留了实在性——也就是说,宇宙是客观存在的,量子系统的状态,依然由某种隐变量决定,但这种隐变量,是非定域的,它可以在瞬间影响到相隔遥远的纠缠粒子。这种理论,既保留了爱因斯坦所坚持的实在性,又解释了量子纠缠的超距影响,虽然目前还没有被实验证实,但依然是一种有影响力的诠释。

而虫洞诠释,则为量子纠缠的超距影响提供了一种全新的物理机制。

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虫洞,又称爱因斯坦-罗森桥,是相对论预言的一种时空结构,它可以连接宇宙中两个相隔遥远的点,形成一条“时空捷径”。根据虫洞诠释,纠缠的粒子之间,可能就存在着这样的微型虫洞,它们之间的瞬间影响,并不是超光速传播,而是通过虫洞进行的“时空穿越”,这种方式,既不违背相对论,又能解释量子纠缠的诡异现象。虽然目前虫洞还没有被直接观测到,但这一诠释,为量子力学与相对论的统一,提供了一种新的思路。

最令人着迷,也最具争议的,当属多重宇宙诠释。这种诠释认为,我们的宇宙,只是无数个平行宇宙中的一个。当我们对一个量子系统进行测量时,波函数并不会坍缩,而是会分裂成多个分支——每个分支,对应着量子系统的一种可能状态,而每个分支,都会形成一个独立的平行宇宙。也就是说,当我们测量一个纠缠粒子的自旋方向时,在我们的宇宙中,它的自旋方向是向上的;而在另一个平行宇宙中,它的自旋方向是向下的;同时,它的纠缠对象,也会在对应的平行宇宙中,呈现出相反的自旋方向。

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多重宇宙诠释的神奇之处在于,它既不需要放弃定域性,也不需要放弃实在性——量子纠缠的超距影响,其实是不同平行宇宙之间的“关联”,而不是同一个宇宙中粒子之间的超距作用。这种诠释,虽然听起来非常科幻,甚至有些离奇,但它能够完美解释所有的量子现象,包括贝尔不等式被违背的实验结果,因此,受到了越来越多科学家和宇宙爱好者的关注。

回到我们最初的话题:婴儿的量子直觉。婴儿缺乏客体永久性,认为“看不见就不存在”,这与哥本哈根诠释中“观测创造现实”的观点,有着惊人的相似之处。或许,人类天生就带有一种对量子世界的感知,只是随着我们长大,客体永久性的认知逐渐形成,这种量子直觉被慢慢掩盖。而量子力学的发展,或许就是让我们重新找回这种直觉,重新认识宇宙的本质。

玻尔与爱因斯坦的世纪之争,虽然已经过去了近百年,但它依然深刻影响着我们对宇宙的认知。贝尔不等式的被违背,让我们放弃了定域实在论,但也让我们看到了宇宙的更多可能性——非定域性、虫洞、平行宇宙……这些曾经只存在于科幻小说中的概念,如今都成为了物理学研究的前沿课题。

我们或许永远无法完全理解量子世界的诡异逻辑,也无法确定哪一种量子诠释是绝对正确的。但正是这种探索和争论,推动着物理学的不断发展,让我们一步步接近宇宙的终极真相。就像婴儿在躲猫猫中探索世界一样,人类也在量子力学的诡异世界中,不断探索着现实的本质——而这,或许就是科学最迷人的地方。