“闭嘴计算”还是追问本质？《Nature》调查揭示物理学家对量子现实的世纪分裂

量子力学作为科学史上最成功的理论之一，其数学框架虽已诞生百年，但至今仍是计算机芯片、医学影像等现代科技的基石。然而，《Nature》杂志的最新调查表明，研究者们对数学背后物理现实的解释仍存在广泛分歧。

在近期纪念量子力学百年诞辰的学术会议上，诺贝尔奖得主Anton Zeilinger与Alain Aspect就量子本质展开激烈交锋。Zeilinger主张“不存在量子世界”，即量子态只存在于他的头脑中，它们描述的是信息，而非现实。Aspect则坚决反对这一观点。

为在这一世纪之年勾勒出更广泛群体对量子物理的解释，《Nature》开展了迄今为止规模最大的相关调查。该杂志向15000多名近期发表过涉及量子力学论文的研究者发送了问卷，还邀请了在德国黑尔戈兰岛举行的百年纪念会议的参会者参与调查。

超过1100多份问卷（主要来自物理学家）显示，研究人员对量子实验最基本特征的理解存在巨大差异。

图：量子理论解释受欢迎程度调查图

来源：Nature

波函数是真实存在还是有用工具？

正如Aspect和Zeilinger一样，受访者在波函数（对物体量子态的数学描述）是否代表真实事物的问题上存在根本分歧：36%的人认为它代表真实，47%的人认为它仅仅是一个有用的工具，而8%的人认为它描述的是关于实验结果的主观信念。这表明，持有“现实主义”观点的研究人员（他们将方程投射到现实世界）与持有“认知主义”观点的人（认为量子物理学只关注信息）之间存在显著的分歧。

图：波函数是否代表真实事物调查图

来源：Nature

学术界对于量子世界和经典世界之间是否存在界限也存在分歧：45%的受访者回答“是”，45%回答“否”，10%不确定。“令人惊讶的是，这些深谙量子理论的学者会持有完全对立的观点，”西班牙巴塞罗那庞培法布拉大学的理论物理学家Gemma De les Coves说。

图：量子世界与经典世界是否存在界限调查图

来源：Nature

当被问及哪种量子现象解释最为合理时，即最青睐哪种将理论数学与现实世界相关联的尝试，36%的受访者选择哥本哈根解释，这是一种实用且广泛教授的理论范式。但调查同时显示，若干更激进的量子解释也拥有可观支持者。

值得注意的是，仅24%的受访者确信其偏好的解释完全正确；其他人认为其解释虽不完美但在特定情境下具有实用性。更重要的是，一些表面同属一个阵营的科学家，在后续追问中给出了不一致的答案，暗示其对所选解释的理解存在差异。

“这让我非常惊喜，”理论物理学家Renato Renner说。这意味着许多量子研究者实际上采用“闭嘴计算”态度，直接使用理论而没有深入探究其含义（该说法源自美国物理学家David Mermin）。但专注于研究量子力学基础的Renner强调，仅仅进行计算并没有错：“如果每个人都像我一样，我们就不会拥有量子计算机。”

哥本哈根解释仍占据主导地位

在过去的一个世纪里，研究人员提出了许多方法来解释量子力学数学背后的现实，这些数学似乎会产生令人困惑的悖论。在量子理论中，物体的行为由其波函数来表征：这是一个由德国物理学家Erwin Schrödinger于1926年设计的方程计算的数学表达式，描述了一个随概率云演化的量子态。在未被观测时，粒子似乎像波一样扩散，与自身及其他粒子发生干涉，处于多种状态叠加的“叠加态”，仿佛同时存在于多个位置或具有多重属性值。但一旦对粒子属性进行观测测量，则会使这种模糊的存在“崩溃”为一个具有确定值的单一状态。这有时被称为“波函数坍缩”。

图：哥本哈根解释

来源：Nature

更奇怪的是，将两个粒子置于联合叠加态会导致量子纠缠现象，即使粒子相距遥远，它们的量子态仍相互交织。

1925年，德国物理学家Werner Heisenberg与其导师丹麦物理学家Niels Bohr，通过承认经典世界认知方式的局限性来应对奇怪的波粒二象性：观测者生活在经典物理世界中，与被测量的量子系统相互独立。对玻尔而言，物体在像粒子和波之间变化是可以的，因为这些都是从经典物理学中借来的概念，一次只能通过实验揭示一个。实验者生活在经典物理学的世界里，与他们正在测量的量子系统是分开的。

Heisenberg和Bohr不仅认为在实验观测前无法讨论物体的位置，更主张未被观测粒子的属性本质上是不确定的，而非虽未观测但已确定。这一观点令坚持存在预先实在性的爱因斯坦深感困扰。

数十年后，Heisenberg与Bohr（其观点并非始终统一）的思想融合被称为哥本哈根解释，以二人开展奠基性工作的大学命名。据《Nature》调查，这些观点仍是当今量子力学最受欢迎的认知范式。量子物理学家Časlav Brukner认为其高支持率“反映了它在指导日常量子实践中的持续效用”。近半数实验物理学家受访者青睐该解释，而理论物理学家为33%。“这是我们现有的最简单的解释，”研究物理学基础的哲学家Décio Krause说，尽管存在缺陷，“其他替代方案带来的问题在我看来更严重”。

图：哥本哈根解释

来源：Nature

但批评者认为哥本哈根解释的流行源于历史偶然性而非理论优势。他们指出，该解释允许物理学家回避更深层问题。其中一个问题涉及“测量问题”，即测量如何促使物体从描述概率的量子态转变为具有经典世界确定属性的状态；另一个不明确的特征是，波函数究竟代表客观实在（29%的哥本哈根解释支持者选择）还是仅描述测量时发现各种值的概率信息（该群体中63%选择）。

“我对哥本哈根解释的流行感到失望，但并不惊讶。”物理哲学家Elise Crull表示，“我感觉物理学家们缺乏反思。”量子基础研究者Robert Spekkens补充道，该解释的哲学基础已常态化到看似无需解释的地步：许多倡导者“只是喝了哥本哈根哲学的酷爱，而不去研究它”。

从事哲学或量子基础研究的受访者最不青睐哥本哈根解释，仅20%选择它。“如果我每天在实验室使用量子力学，确实无需经过哥本哈根解释”，理论物理学家Carlo Rovelli说。但他表示，一旦研究人员应用更深入的思想实验，“哥本哈根是不够的”。

还有其他解释？

第二次世界大战和原子弹研制之后的几年里，物理学家开始探索量子力学的应用，美国政府向该领域投入了大量资金，哲学研究被搁置。哥本哈根解释开始主导主流物理学，但一些物理学家仍然觉得它不尽如人意，并提出了替代方案。

1952年，美国物理学家David Bohm重新提出了法国物理学家Louis de Broglie于1927年提出的观点，即如果奇怪的量子物体双重性质可以被理解为由“导引波”确定路径的点状粒子，那么它们就是有意义的。“玻姆力学”的优势在于它解释了干涉效应，同时恢复了决定论，即粒子属性在测量之前确实具有设定值。《Nature》调查发现，7%的受访者认为这种解释是最有说服力的。

1957年，美国物理学家Hugh Everett提出了一个更“疯狂”的替代方案，15%的受访者倾向于此。埃弗雷特的解释，后来被称为“多世界解释”。该解释认为波函数对应客观实在：一个粒子在某种意义上确实同时存在于多个地方。从单一世界观测者的视角看只能测得一个结果，但波函数实际上永不坍缩，而是分裂为对应不同结果的多个平行宇宙。“这需要对我们关于世界的基本直觉进行重大调整，但对我来说，这正是我们应该从基本的现实理论中得到的，”物理学家和哲学家Sean Carroll表示。

20世纪80年代末，“自发坍缩”理论试图解决量子测量问题等问题。这些理论通过修正薛定谔方程，使波函数无需观测者介入即可自发坍缩。某些模型中量子物体的组合会放大坍缩概率，意味着将粒子与测量设备置于叠加态将必然导致联合量子态的丧失。约4%的受访者选择这类理论。

调查显示，“认识论”描述可能越来越受欢迎，该理论认为量子力学仅揭示关于世界的知识而非其物理实在。2016年一项针对149名物理学家的调查中仅约7%选择认识论相关解释，而本次调查为17%（尽管分类方法与调研方式存在差异）。这些理论多兴起于21世纪初量子计算与通信应用发展时期，将实验框架建立在信息概念上。Zeilinger等追随者将波函数视为纯粹预测测量结果的工具，与客观世界无对应关系。

“认识论观点最具谨慎性，”苏黎世联邦理工学院的受访者Ladina Hausmann表示，“它不要求我做出超越量子态实际应用的任何假设。”一种名为QBism的认识论（少数选择了“其他”的受访者将其写为自己偏爱的解释）将这一观点推向了极端，认为特定“观察者”所做的观测结果完全个人化且仅对其有效。Rovelli 1996年提出的类似“类似关系力学”（4%受访者选择）则主张量子态始终只描述系统间关系而非系统本身。

尽管分歧巨大，但绝大多数科学家（86%）认为，尝试以物理或直观的方式解释量子力学的数学是有价值的。75%的受访者相信，量子力学并非终极理论，未来将被更完善的理论所取代。58%的受访者寄望于未来的实验，例如对量子隧穿的精确测量或利用大规模量子计算，或许能为这场百年论战提供新的线索，甚至淘汰某些诠释。

苏黎世联邦理工学院的Renato Renner说，选择哪个解释不仅关乎物理训练，更触及个人的直觉与情感——而这也许正是量子世界最迷人之处。

参考链接

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02342-y