叛逆的物理学家在寻找比量子力学更好的故事

物理学家安吉洛·巴西(Angelo Bassi)说：“让我吃惊的是，量子力学只有100年的历史。”在萨格勒布一个单调的苏联时代校园里，我们隔着一张野餐桌交谈，初秋的微风吹过附近一些树木泛黄的树叶。“这只是个婴儿，没什么大不了的--在科学史上有100年的历史了。你怎么能就这么停下来呢？你怎么看都说不通。“。我们坐在一座锈迹斑斑的米色建筑的阴影下，在那里，巴西即将在一个专门研究这一百年课题的物理学家的研讨会上发表演讲。

尽管这一理论已经年事已高，但即使是受过大学教育的成年人也往往对量子力学的内容知之甚少。这是有充分理由的。尽管物理学家用它来预测基本粒子的行为，比如组成原子的电子和组成光的光子，尽管它是20世纪的许多标志性技术(包括核能、激光和计算机)的基础，但从20世纪20年代开始，这个理论甚至让行家们都感到困惑。这是因为，虽然它在做出预测方面很壮观，但它并没有描述自然界幕后实际发生的事情，从而实现了这些结果。承认科学可能永远不能解释，比方说，解释人类思维的主观体验，这是一回事。但量子力学的标准观点暗示了一些更令人惊讶的事情：即使是对客观的物理世界的完全理解也超出了科学的能力范围，因为不可能将理论的数学与我们生活的世界之间的关系转化为语言。

47岁的巴西是意大利东北部的里雅斯特大学的一名理论物理学家，他在该学科极少数反对这一结论的叛逆者中名列前茅。“我坚信，从某种意义上讲，物理学就是文字，”他隔着野餐桌说。尽管研讨会上的所有其他演讲都集中在量子力学的经验含义上，但巴西的演讲将为他的绝大多数同事认为非常不可信的想法提供理由：几乎所有现代物理学所依赖的理论肯定有问题-正是因为它无法用语言来表达。

当然，量子力学的很多知识都可以用语言来表达。比如粒子未来的行踪不能用理论来说明，只能用概率来预测。根据1925年欧文·薛定谔(Erwin Schrödinger)设计的方程，这些概率来自每个粒子的“波函数”，即一组随时间变化的数字。但由于波函数的数字没有明显的意义，该理论只预测了科学家在观测瞬间可能看到的东西-当波函数的所有潜在可能性似乎崩溃成一个确定的结果-而根本没有提供任何关于粒子在那之前或之后实际做什么的叙述，甚至没有提供任何关于粒子这个词在多大程度上适用于未被观测的世界的描述。事实上，该理论认为，粒子在没有被观测到的情况下，其行为更像波--这一事实被称为“波粒二元性”，这与所有这些潜在的可能性似乎表明一个未被观测到的粒子可以同时存在于多个地方有关。然后，观察行为本身被假定为以某种方式将这种无意义的情况转变为我们所看到的具有特定位置和其他属性的物体的世界。这使得人类，毕竟是进行观察的人，在本质上负责召唤出我们从量子力学所暗示的黑暗的地下世界中经历的现实，这是根本不可知的。

关于量子理论的争论有一种趋势，那就是变成无法检验的哲学推测。但让巴西与众不同的是，即使在叛乱者中，他也坚信，实验很快就会证明量子力学实际上只是大致正确的，这只是一个更深层次、更基本的理论的一小部分，该理论将描述让基本粒子以它们的方式运行的物体和机制，而不会提到人类观察的作用。而更让他出类拔萃的是他成功地启动了这样的研究。巴西的研究集中在量子力学的一种可能的替代方案上，这类理论被称为“客观塌陷模型”，它不依赖于人的观察来将波函数的可能性塌陷成单一的结果，而是调用一个客观的物理过程来完成这项工作，无论是否有人在看。巴西现在正在领导迄今为止最雄心勃勃的实验，该实验可能表明客观崩溃确实发生了。

如果他被证明是正确的，对物理、技术甚至哲学的影响将是巨大的。这样的结果将说明我们可以希望了解世界的问题，反之亦然，

然后，巴西在黑板上写下薛定谔方程--量子理论升级为“F=ma”，这是一个比较复杂的字母和数字的组合，仍然适用于棒球和其他东西，但也适用于分子和原子。薛定谔本人和任何人一样，对量子理论的缺乏描述感到不安，他认为量子理论只是不完整--他的同代人阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)也得出了这个结论，他尖锐地问一位同事，他是否真的相信，当没有人在看的时候，月球并不在那里。但对于量子力学的大多数其他创始人，特别是极具影响力的尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)来说，该理论的局限性只是表明物理学已经走到了死胡同，它不能再进一步揭示自然的真实本质，它将不得不满足于做出预测的基本生计。一位理论家曾经打趣地总结道，“闭嘴，计算”，这一立场或多或少已经成为今天的物理正统观念，也是大多数教科书和大学里教授这门学科的方式。

尽管如此，物理学家和哲学家多年来一直在猜测量子力学可能真正意味着什么，这是一个名副其实的猜想动物园，其中一些人假设平行宇宙，另一些人认为人类大脑处于特殊地位。该理论的完整性仍然受到少数怀疑论者的质疑，其中包括诺贝尔奖获得者史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)，他自己的教科书表达了他希望会出现更好的理论，并揭示量子力学拒绝讲述的故事。

薛定谔创造了一个术语-“纠缠”-因为量子力学本身可能解释了它的不情愿：任何两个相互作用的物体的波函数，包括观察者和被观察者，都交织成一个。这使得研究亚原子世界的研究人员处于一个类似于一个水滴的位置，试图通过触摸水滴来推断另一个水滴的尺寸：由于最终结果是一个大水滴，观察到的水滴可以计算出被观测物体的体积(通过从大水滴的体积中减去自己的初始体积)，但无法收集到它的原始形状。纠缠可能负责将客观现实隐藏在面纱后面。

尽管如此，薛定谔也提出了他著名的猫悖论，认为量子力学不可能是整个故事的全部。

他想象一只猫被锁在一个盒子里，里面装着一瓶毒药和一种放射性物质，他的方程式预测，在研究人员计划查看内部之前，有50%的可能性会释放出一种粒子，打破瓶子，杀死猫。现在，在这一观察之前，量子力学用一个波函数来表示粒子，该波函数封装了粒子的两个潜在命运(发射或不发射)，这表明粒子没有实现这两个目标。同时，纠缠将波函数与小瓶和猫的波函数交织在一起，将它们的命运联系在一起。这导致了对盒子打开前情况的一种明显荒谬的描述：粒子既没有发射也没有发射；瓶子既没有破碎也没有破裂；猫既没有死也没有活着。薛定谔总结道，显然，这幅图景缺少一些东西。

但是，正统学说说，缺少的是对物理学真正意义的理解。“物理学，”玻尔写道，“与其说是对先验给定事物的研究，不如说是对人类经验排序和测量方法的发展。”

如果我们对物理学的要求只是描述人类的经验，那么悖论就不复存在了。量子力学正确地预测，研究人员在打开盒子后，发现快乐结果的可能性与替代方案一样大。就是这样。在此之前询问猫的情况，从正统的角度来看，就像问北极的北方是哪条路一样不合适。

在量子力学的所有怪异之处中，这种对可知物的限制是最怪异、最深刻的。这表明，科学家最精确的世界模型不能描述我们观察背后发生的任何事情，甚至不能具体说明“观察”到底是什么，以及它们的影响是什么。它们会影响猫吗？或者它们只发生在观察者的脑海中？尽管今天的大多数物理学家已经放弃了回答这样的问题的希望，薛定谔和爱因斯坦一样，从来没有这样做过。他称缺乏对它的描述是他帮助发明的理论的“被高估的暂时性的一面”，他相信，这是因为他的物理学家同行们非常人性化的愿望，认为他们在量子力学中发现了一个持久的真理。

温伯格写了一本名为“最终理论的梦想”(Dreams Of A Final They)的书，他在电话中与我沉思着量子力学可能真的是真理，这样物理学家梦想的终极理论只会涉及人类的经验，而不会对自然界说更多的话。“对我来说，那将是可怕的，”他说。“事实上，我几乎可以得出这样的结论：如果真是这样，那就让它见鬼去吧。”

尽管如此，很大程度上是因为量子力学已经通过了如此多非常精确的测试，当考虑到塌缩模型时，通常都不会考虑，而且很少有物理学家认为巴西会成功。就连温伯格在电话中也将他的探索描述为“有趣”，但“在某种程度上是在黑暗中吹口哨”。

在的里雅斯特演讲后的第二天，巴西开着他那辆蓝色的、饱经风霜的标致开车送我去他的家乡科洛雷多·迪·普拉托(Colloredo Di Prato)。当锯齿状的阿尔卑斯山从乘客车窗上划过天空时，我问他成长的时候是什么样子。

他说，“工作有道德的一面，现在从某种意义上说，这一点已经消失了。”他说，现在的年轻人太在乎“成功”和“出名”了。

“成功不算什么，”他父亲教导他。“正确的工作才是最重要的。”

虽然科洛雷多·迪·普拉托和的里雅斯特只有一个小时的车程，但他告诉我，它们“实际上是两个不同的世界”。的里雅斯特是一个临时创建的港口，是一个商人之城，买卖之城。他的家乡更内陆，历史更悠久，相反，那里是工匠和农民的聚集地，是制造和种植的地方。关于巴西的早期童年，你也可以说“真的是两个不同的时代”，那几乎是前工业化时代。他的第一个家是一座两层的砖石公寓楼-就是他父亲长大的地方-几个家庭住在那里，共享一个庭院，养着他们的马、猪和牛。今天，那里仍然矗立着一座石砌的户外厕所，尽管巴西出生时室内管道已经铺设完毕，但电视还没有。他最初的记忆是和母亲一起跑老式的差事，去当地的谷物磨坊和奶酪制造商那里。他最早的朋友之一是一只鸡。巴西的姐姐伊凡娜深情地回忆起小安吉洛坐在乡间街道中央“宠爱他心爱的母鸡”的样子。

他的父亲是铁匠，他的母亲是护士。他的父亲四年前去世了，但巴西每天都给母亲打电话，他们像往常一样说弗留兰语，这是该地区曾经占主导地位的语言，现在正迅速被意大利语取代。

站在巴西童年时的庭院里，周围是空荡荡的干草棚和废弃的公寓，周围是打着石膏补丁的石墙，人们很容易在巴西的旧世界教育和他不合时宜的物理观之间划清界限。更不用说不到100码外的教堂了，教堂的钟楼仍然笼罩着整个迷人但衰败的景象。巴西是一名虔诚的天主教徒，也是上帝的信徒，他说这在他的大学同事中是“不寻常的”，但“并不罕见”。爱因斯坦把他自己认为现实可以理解的信仰称为“宗教”，我想知道巴西的宗教信仰与物理学中本质上处于极右翼地位的宗教信仰之间是否有联系。我在萨格勒布的野餐桌上问他。

“是的，就是这样，”他说。“如果你愿意，你可以将现象背后有真理和简单的想法与对上帝的信仰直接联系在一起，上帝是产生一切的统一体。”

“但这也是一种亲密的感觉，”他补充说。“我没有必要把这两件事联系起来。”

“生活中简单的事情才是更真实的，”他解释说。“当一个人很简单的时候，他就是一个更好的人。”

物理学的进步，从牛顿到爱因斯坦甚至更多，用越来越少的方程解释了越来越多的现象，这支持了宇宙比表面看起来更简单的观点。但康奈尔大学(Cornell University)物理学家N·大卫·默明(N.David Mermin)在18世纪哲学家大卫·休谟(David Hume)的帮助下辩称，历史先例和归纳推理无法证明任何事情，尤其是现实的真实情况。默明是正统学说的主要倡导者，也可能是“闭嘴计算”这句话背后的机智人物，他曾宣称，当没有人在看的时候，月球显然不在那里。我欣赏这一论点的谦逊，并对桌子对面的巴西说了这番话。

他反驳说，在正统学说关于量子力学是正确的假设中，实际上存在着“傲慢”。

“归根结底，这种态度阻碍了研究，”他说。“即使世界最终无法理解，我们也没有理由相信量子力学已经触底。”

巴西告诉我，他开始学习物理学时，更感兴趣的是理论提供的启示，而不是它们的实用性。许多满怀幻想的学生也是这样开始的，但量子力学有一种给他们的梦想泼水的方法。(作为一个完成了物理博士学位，但在启蒙和就业似乎遥不可及的情况下转行到金融行业的人，我在这里写下这篇文章是基于经验。)。

慕尼黑路德维希·马克西米利安大学的数学物理学家、巴西的导师德特尔夫·迪尔说：“当你是学生的时候，你当然会相信老师。”“你对自己说，好吧，自然界中有某种东西，某种东西真的超出了我们的理解。”

尽管如此，一个有质疑正统倾向的新生在20世纪90年代再也找不到比的里雅斯特大学更好的地点和时间了。吉安卡洛·吉拉迪(Giancarlo Ghirardi)教过巴西的第一节量子力学课，后来成为他的博士导师，于2018年去世。吉安卡洛·吉拉迪在大学里被认为是一位敬业而有才华的老师。但在的里雅斯特之外，吉拉迪最出名的是客观塌陷模型的设计师之一，该模型有可能解决关于量子力学含义的争论。

大体上，对这个问题有两种看法。一种是正统学说，也被称为反实在论(尽管通常只有非正统派才这么认为；物理学家往往不愿被贴上某种版本的现实主义的标签。例如，Mermin更喜欢使用“参与式现实主义者”这个词)。反实在论者是玻尔的智力继承者，他们认为物理学只能描述人类对现实的体验，量子理论的悖论是由于误导地试图利用它来辨别现实本身的本质。

然后是现实主义者(他们高兴地自称为自己)，他们大致上是薛定谔和爱因斯坦的后裔，他们相信物理学可以也应该描述脱离我们而存在的世界-例如，通过解释盒子里的那只猫发生了什么。两种调和量子理论与现实主义的方法获得了吸引力。一种通常被称为“许多世界”的观点认为，波函数中编码的所有可能性实际上都发生了，所以薛定谔的猫既活着，也死了(更广泛地说，一切可能发生的事情都会发生)，尽管它们位于广阔且不断增长的宇宙的不同分支中。另一种被称为波米亚力学，挽救了牛顿的“粒子受力”的图景，并赋予猫一个单一的命运，但只是通过赋予粒子看似超自然的力量，比如能够瞬间影响彼此在宇宙距离上的运动，并有效地从实验中隐藏许多这样的运动。

这两种选择都很奇怪，都有永远不可见的尴尬特征物理学家在想象与量子理论奇怪的预测相一致的现实时必须做出这样的扭曲，但这两种选择都说明了量子力学可能描述和预测的可能方式。真正的问题是，这些不同的现实彼此不一致，也与其他相互竞争的解释相抵触。而且，由于仅仅是对量子理论的解释并不能做出新的预测，所以实验不能在它们之间做出选择，所以一个人喜欢哪一个很大程度上是一个品味问题。

“我一直认为这是一场相当空洞的游戏，”普林斯顿高等研究院的物理学家斯蒂芬·阿德勒(Stephen Adler)说，他也是巴西的另一位导师和合作者。“物理是一门实验学科。如果他们不能从实验上区分出来，我不在乎你怎么解释。“。

Ghirardi和他的同事们通过进行精细的概念移植，去掉了量子理论对观察的引用，并用在薛定谔方程中添加了一个新的数学术语来取而代之，从而得出了客观的塌缩模型。通过导致客观崩溃，这个新术语将理论从描述观察者所见的东西转变为描述世界的本来面目(当然，假设该理论是正确的)。困难的部分是找到一种方法来做到这一点，而不会导致新的。

..