深度长文：万物到底由什么构成？量子力学的百年旷世之争！

如果有人突然问你：我们脚下的大地、手边的水杯、天上的月亮，这世间万物说到底是由什么构成的？

你大概率会脱口而出：原子啊，再往下还有电子、质子、中子，还有夸克、中微子这些基本粒子。

可要是再追问一句：那这些基本粒子的本质又是什么？是一颗颗实实在在的小微粒吗？

这时候，但凡你听过一点量子力学的名头，估计就要开始犹豫了：好像…… 既是粒子又是波？有个叫波函数的东西？还有什么 “既死又活” 的猫？

没错，这就是量子理论最 “磨人” 的地方：它的数学框架无比精准，薛定谔方程写下快一百年了，从手机芯片到医院的核磁共振，从激光技术到如今火遍全球的量子计算，我们天天都在用，用得炉火纯青。

可一旦聊到 “这方程背后的真实世界到底长什么样”，物理学家们立刻就会分成好几派，吵得面红耳赤，吵了快一百年，至今也没吵出一个公认的标准答案。

今天咱们就用大白话好好唠唠：这些听着玄乎的 “量子诠释”，哥本哈根、多世界、隐变量、量子信息到底都是什么？它们争来争去，核心争的到底是啥？

在聊量子力学之前，得先说说 “实在论” 这个事儿。

这东西说起来也简单，就像孙悟空给唐僧画的那个圈，哲学家和物理学家们也总想着给 “真实存在” 画个圈：到底哪些名词代表真实存在的实体，哪些只是人类脑子里的概念？

在经典物理的时代，这个圈画得很稳。

我们说 “桌子存在”，是因为它有确定的位置、质量、硬度，不管你看不看它，它都安安稳稳待在那儿。

牛顿力学的整个体系，就建立在这个基础上：一个物体在哪、速度多大，都是客观确定的，和观测者没关系。

只要知道所有初始条件，就能精准算出它下一秒在哪，甚至能算到几十年后的日食月食。

那时候的物理学家相信，世界是 “决定论” 的，就像一台精密的钟表，上好了发条，就会按部就班地走下去。

可这份踏实，从人们开始研究 “光” 的那一刻起，就开始摇摇欲坠了。

早在三百多年前，牛顿和胡克就为光的本质吵过一架。

牛顿说光是粒子，像一颗颗小弹丸沿直线飞；胡克和惠更斯说光是波，像水波一样能干涉衍射。两边各有各的证据，谁也说服不了谁，后来靠着牛顿在学界的威望，粒子说占了上百年的上风。

直到 19 世纪初，托马斯・杨用一个双缝干涉实验，把粒子说砸了个大洞。屏幕上明暗相间的条纹，明明白白证明了光是一种波。

后来麦克斯韦写出方程组，直接预言光是电磁波，赫兹又用实验验证了这个结论。这下波动说大获全胜，大家都觉得光的本质已经盖棺定论了。

结果没过多久，光电效应又把水搅浑了：光照射到金属表面能打出电子，但电子的能量只和光的频率有关，和亮度没关系。这用波动说根本解释不通。

最后是爱因斯坦站出来，提出了 “光量子” 的概念：光既是波，也是一个个离散的光子，能量只和频率有关。

这还没完。1924 年，德布罗意又补了一记 “大招”：不止光有波粒二象性，所有的物质都有！

电子、原子、甚至你我，本质上都既是粒子又是波。

这下物理学界彻底炸锅了。

一个电子，既是有确定位置的粒子，又是能扩散干涉的波？这怎么可能？我们得用一套靠谱的数学语言，把这个诡异的特性描述清楚才行。

1925 年，量子理论的数学大厦开始动工，而且一开工就出了两套方案。

第一套是海森堡、玻恩等人搞出来的矩阵力学。

他们把原子的能级跃迁和矩阵运算联系起来，用表格一样的数学工具描述粒子的状态。思路很新颖，但问题是当时的物理学家大多对矩阵不熟，看着满纸的行列运算，头都大了。

同年晚些时候，薛定谔从波动性出发，借鉴经典力学里的哈密顿 - 雅克比方程，写出了那个大名鼎鼎的薛定谔方程。

这是个微分方程，是当时物理学家的 “老朋友” 了，就像我们上学时熟悉的一元二次方程，看着就亲切，上手也快。

半年之后，薛定谔自己证明了：矩阵力学和薛定谔方程，数学上完全等价。就像你用 Excel 表格算账和用公式算账，结果一模一样，只是形式不同。

那大家当然选更顺手的薛定谔方程。

直到今天，它依然是量子力学里最核心的方程，是绝大多数人入门量子理论的第一道大门。

薛定谔方程最神奇的地方在于：从一个看似连续的方程里，居然能解出离散的能级。

就像爬楼梯，你只能站在第 1 阶、第 2 阶，没法站在 1.5 阶的位置。原子里的电子能量就是这样，只能取特定的数值，这就是 “量子化” 三个字的来源。

可方程写出来了，一个关键问题却没人能回答：方程里那个符号 ψ（波函数），到底代表什么物理意义？

薛定谔自己一开始也猜错了。

他以为这是某种 “电荷密度”，电子就像一团散开的波，电荷分布在波的各个位置。但很快就被实验打脸了：每次测量电子，它永远是一个点，从来不会是一团模糊的云。

困惑了几个月之后，玻恩提出了一个石破天惊的解释：这个波，不是实体的物质波，而是概率波。

波函数模的平方 |ψ|²，代表的是你测量粒子时，它坍缩到某个状态的概率。

说白了，没测量的时候，电子没有确定的位置，它像一团概率云，分布在空间里，云厚的地方出现概率大，薄的地方概率小。

一旦你去测量，这团云就 “啪” 地一下坍缩了，电子随机出现在一个确定的点上。

这个解释，就是后来 “哥本哈根诠释” 的起点。

谁也没想到，这么一个看似简单的解读，直接拉开了一场持续近百年的物理学大论战。

哥本哈根诠释，是以玻尔、玻恩、海森堡这群在哥本哈根工作的物理学家为核心的观点，也是很长时间里的 “默认正统”。它的核心逻辑其实就三条：

第一，波函数就是对量子系统的完整描述，没有更深层次的隐藏机制了；

第二，量子世界的概率性是本质属性，不是因为我们知道得太少；

第三，测量行为会导致波函数坍缩，叠加态瞬间变成确定态。

这套说法刚提出来，就遭到了一大批物理学家的激烈反对，为首的就是爱因斯坦。

在爱因斯坦看来，世界应该是决定论的。所谓的概率，都是因为信息缺失。

就像我们掷骰子，看起来随机，可要是能精准算出出手力度、空气阻力、桌面摩擦系数所有因素，理论上就能精确算出骰子最后是几点。

再比如一副手套，分别装进两个密封盒子，一个寄去上海，一个留在北京。

你打开北京的盒子是左手套，立刻就知道上海的是右手套。这不是什么超距感应，只是因为装的时候就确定了，只是你不知道而已。

爱因斯坦坚信，量子力学的概率也是这么回事。所谓的叠加态，本质是我们没发现背后的 “隐变量”。哥本哈根说 “概率是本质”，那是因为他们的理论不完备。

为了怼哥本哈根诠释，爱因斯坦在 1935 年拉着两位同事，提出了著名的 EPR 思想实验，直接把矛头对准了量子纠缠。

实验很简单：制造一对纠缠粒子 A 和 B，把它们分开很远很远，比如一个放地球，一个放月球。然后测量 A 的自旋方向，比如测出来是向上，那 B 的自旋瞬间就会是向下。

按照哥本哈根的说法，测量之前，A 和 B 都处于 “既向上又向下” 的叠加态。测量 A 的一瞬间，A 坍缩成向上，同时远在 38 万公里外的 B 也瞬间坍缩成向下。

这问题就大了：光从地球到月球都要一秒多，B 怎么能瞬间 “知道” A 被测量了？还瞬间确定了自己的状态？这不是超光速的 “鬼魅超距作用” 吗？那相对论的光速极限不就被打破了？

爱因斯坦说，这绝不可能。

唯一合理的解释是：两个粒子的状态从一开始就确定了，只是我们不知道。所以哥本哈根诠释是不完备的，一定有隐藏的变量在背后控制着一切。

玻尔的回应也很有意思。他说：你不能把两个纠缠粒子当成两个独立的东西，它们本来就是一个整体，由同一个波函数描述。

所以根本不存在什么 “超距作用”，因为它们从始至终就没真正分开过。

反正公说公有理，婆说婆有理。

那时候的技术做不了这么精密的实验，大家只能在哲学层面打嘴仗。泡利甚至嘲讽爱因斯坦，说他整天纠结这种 “针尖上能站几个天使” 的无聊问题。

为了更狠地讽刺叠加态，薛定谔还搬出了那只物理学史上最有名的猫：

一个密封的箱子，里面有一只猫、一点放射性元素、一个锤子和一瓶毒气。如果放射性元素衰变，就会触发机关，锤子落下砸碎毒气瓶，猫就死了；如果不衰变，猫就活着。

按照哥本哈根的逻辑，没打开箱子的时候，放射性元素处于 “衰变 + 不衰变” 的叠加态，那猫岂不是就处于 “既死又活” 的叠加态？

薛定谔说：开什么玩笑，世上怎么可能有既死又活的猫？你们这理论明显违背常识。

可哥本哈根派根本不吃这套：对啊，就是既死又活啊。你打开箱子看的那一刻，猫的状态才坍缩成死或者活。

谁也说服不了谁，这桩公案就这么僵了几十年。

这场争论的第一个转折点，出现在 1951 年。

大卫・玻姆加入了爱因斯坦的阵营，开始潜心研究隐变量理论。

玻姆首先就点破了 EPR 佯谬的一个关键：这种纠缠的超距关联，其实并不会违反因果律。因为你没法用它来传递信息，你测量 A 得到向上，知道 B 是向下，但你没法控制 A 是向上还是向下，所以你没法给 B 那边的人发任何信号。

爱因斯坦当初担心的 “违背相对论”，其实并没有那么致命。

接着，玻姆还挑出了玻尔的一个逻辑漏洞。

玻尔解释不确定性原理的时候，常说 “探测位置的光子会干扰粒子的动量，所以位置越准动量越不准”。玻姆毫不客气地指出：既然说 “干扰”，那就意味着粒子本来有一个动量，然后被干扰了。

可你们哥本哈根不是说，没测量之前粒子根本没有确定的动量吗？这不是自相矛盾吗？

为了回击 “隐变量不可能存在” 的论断，玻姆干脆直接构造出了一套完整的隐变量模型，德布罗意 - 玻姆导航波理论。

这个理论的画面非常经典：粒子就是经典的粒子，有确定的位置和轨迹，从来没有什么叠加态。但每个粒子都伴随着一个 “导航波”（也就是波函数），粒子就像跟着波浪走的小船，完全由导航波引导着运动。

为什么双缝实验会出现干涉条纹？因为导航波同时穿过了两条缝，自己和自己发生干涉，然后引导粒子落在干涉条纹的位置上。粒子本身只走了一条缝，但导航波走了两条，所以就有了波动的效果。

这套理论居然真的能解释所有的量子现象，和实验结果完全对得上。

但它也有个非常明显的缺陷：那个导航波（量子势）太 “刻意” 了。

它的数学形式几乎是为了凑结果硬生生拼出来的，不是从什么基本原理推导出来的。而且这个量子势是超距的，能瞬间传遍整个宇宙，怎么看都不像是自然生成的规律。

就连同阵营的爱因斯坦，都觉得这个理论太生硬，颇多微词。

不过不管怎么说，玻姆证明了隐变量理论是可以存在的，打破了之前的 “不可能” 断言。而真正给这场争论带来 “判决性实验” 可能的，是 1964 年的贝尔不等式。

贝尔本人是支持隐变量的，他受玻姆理论的启发，想设计一个实验，来区分到底是定域隐变量对，还是量子力学对。

他研究了各种概率组合，得出了一个数学不等式。

简单说：如果世界是经典的、定域的（没有超距作用），那纠缠粒子的测量关联度一定满足这个不等式；如果量子力学的非定域关联是真的，结果就会违背这个不等式。

怎么通俗理解呢？还是拿纠缠光子举例子。

两个纠缠光子，偏振方向总是一致的。我们在两端分别放一个可以转动角度的偏振片，测量两个光子同时通过的概率。

按照经典定域隐变量的想法，每个光子生来就有确定的偏振方向，就像两根一模一样的筷子。两个偏振片夹角越大，同时通过的概率就越低，而且是均匀下降的，也就是一条直线。

但按照量子力学的计算，同时通过的概率和夹角的余弦平方成正比，是一条曲线，和直线不一样。

说白了，只要做实验看结果符合哪条线，就能知道谁对谁错。

从 70 年代开始，物理学家们不断改进实验，排除了各种可能的漏洞，结果一次又一次证明：实验结果完美符合量子力学的预测，狠狠违背了贝尔不等式。

定域隐变量理论，就此被彻底宣判死刑。爱因斯坦猜对了问题，却猜错了答案：世界真的存在非定域关联，那种 “鬼魅般的超距作用” 真的存在。

当然要说明一句：贝尔不等式只打死了 “定域隐变量”，玻姆的 “非定域隐变量” 理论还活着， 毕竟它本身就有超距的量子势，本来就不满足定域性。但因为量子势的设定太不自然，它始终没能成为主流。

哥本哈根诠释虽然长期占据主流，但它一直有个绕不开的 bug：到底什么才算 “测量”？

为什么粒子和粒子碰撞，叠加态还好好的；人用眼睛看一下，波函数就坍缩了？那猫看一眼算不算测量？细菌呢？机器人呢？难道非得人类的意识参与才行？

越往深想越玄乎，甚至扯到了 “意识决定物质”，很多物理学家都接受不了这种模糊的设定。

于是有人开始琢磨：能不能干脆删掉 “波函数坍缩” 这个假设？有没有不用坍缩也能解释实验的办法？

还真有，这就是后来大名鼎鼎的多世界诠释。

不过在说多世界之前，得先澄清一个常见误区：退相干不是一种诠释，它是一种物理机制。

什么是退相干？

说白了，量子系统不可能完全孤立，它总会和周围的环境发生相互作用。一相互作用，叠加态就不会只待在系统里了，而是会扩散到整个环境中。

比如薛定谔的猫，现实中根本没有绝对密封的箱子，里面的空气分子、光子，都会和放射性元素、猫发生作用。所以根本等不到人打开箱子，猫的状态早就和环境纠缠在一起了，叠加态早就 “扩散” 了，在我们看来就相当于坍缩了。

退相干解释了 “为什么我们看不到宏观物体的叠加态”，因为宏观物体和环境的相互作用太多了，瞬间就完成了退相干，叠加态扩散到整个环境里，你根本察觉不到。

但退相干没回答一个问题：为什么我们最终只能看到其中一个结果？

这时候，多世界诠释就出场了。

它的答案非常简单，也非常疯狂：根本没有坍缩。当测量发生的时候，宇宙就分裂了。

你打开箱子看猫，在这个宇宙里你看到猫活了；同时就分裂出另一个宇宙，你看到猫死了。两个宇宙都是真实的，只是它们之间再也没法产生任何联系，你也感知不到另一个宇宙里的自己。

是不是听着像科幻小说？

这个想法最早是休・埃弗莱特在 1957 年提出来的。

那时候还没有退相干理论，学界都觉得这也太扯了，为了解释一只猫，居然要把整个宇宙都分裂了，代价也太大了。埃弗莱特在学术界饱受嘲讽，后来干脆转行去政府部门研究武器和计算机了。

直到 70 年代，退相干机制被研究清楚之后，大家才猛然发现：多世界诠释其实是最简洁的量子诠释。它不需要额外添加 “波函数坍缩” 这个假设，只要薛定谔方程本身就够了。

物理学家布莱斯・德威特重新发掘了这个理论，正式把它命名为 “多世界诠释”。此后这个理论的支持者越来越多，到今天已经是能和哥本哈根分庭抗礼的大学派了。

很多人喜欢多世界，因为它保留了决定论，也不需要意识参与，整个宇宙就按薛定谔方程平稳地演化。

代价就是，宇宙一直在不停分裂，有无穷多个平行世界。

到上世纪 90 年代，量子诠释界基本形成了 “三国杀” 的局面：哥本哈根诠释像曹魏，势力最大，是多数人的默认选项；多世界诠释像东吴，稳扎稳打，支持者越来越多；玻姆的非定域隐变量像蜀汉，人数虽少，但理论自洽，有一批忠实的拥趸。

三大流派互相争论，各自内部也不断演化，衍生出许多细分的小分支。

到了 90 年代末，尤其是 2000 年之后，随着量子计算和量子信息领域的爆发式发展，战场上又崛起了一股新势力，量子信息诠释。

这一派的思路更加跳脱：你们别争波函数到底是实体还是概率了，其实波函数根本就不是描述客观世界的，它描述的是我们的信息。

最早系统提出这个观点的是意大利理论物理学家罗韦利，他的理论叫 “关系量子力学（RQM）”。

罗韦利本身是研究相对论的，他从相对论里得到了启发：相对论里，“同时性” 是相对的，不同参考系的人对 “两件事是否同时发生” 有不同答案，没有谁对谁错。那量子力学里，会不会 “量子态” 也是相对的？

他提出了三条基本假设：

第一，不存在宏观和微观的尺度界限，所有系统本质上都是量子系统；

第二，量子理论是完备的，不存在什么隐变量；

第三，描述量子态必须涉及对应的观测者，不涉及任何观测者的量子态是没有意义的。

说白了，没有 “绝对客观的量子态”，只有 “相对于我的量子态”“相对于你的量子态”。

打个不太严谨但好懂的比方：同样一个苹果，正常人看是红色，红绿色盲看是灰绿色。你不能说谁看错了，因为颜色本身就是大脑对电磁波的解读，不同的观测者就有不同的结果。

罗韦利说，量子态也是这个道理。

它不是粒子本身的固有属性，而是粒子和观测者之间的关系。不同的观测者，对同一个粒子的量子态可以有不同的描述，但都是对的。

那粒子本身到底是什么状态？罗韦利的回答是：这个问题本身就没有意义。

这就非常有颠覆性了。

之前的哥本哈根、多世界、隐变量，不管怎么争，都还承认有一个客观的粒子、客观的世界。

罗韦利直接说：独立于观测者的客观状态，根本就不存在。

后来的研究者把这个思路推得更远。

比如康奈尔大学的默明教授，在他的 “伊萨卡诠释” 里直接说：被观测对象和观测者本身都不具有物理真实性，只有二者之间的关系才是真实的。

关系，才是这个世界唯一的构成基础。

还有一个更出圈的理论叫 QBism，也叫量子贝叶斯主义。

它说，波函数里的概率，本质上就是贝叶斯概率，也就是人的主观置信度。

什么是贝叶斯概率？

简单说，就是你根据已有信息，对一件事发生的相信程度。

比如说明天会不会下雨，你看了天气预报说 70% 概率下雨，这个 70% 不是说天会 “分裂”，而是你基于现有信息，对下雨这件事的置信度是 70%。如果晚上你看到满天星星，就会更新这个概率，改成 10%。

QBism 认为，量子概率就是这么回事。

波函数不是什么客观存在的东西，就是你根据自己掌握的信息，对测量结果的主观预判。

你做一次实验，获得新信息，就更新你的波函数，仅此而已。

很多人一听就炸了：合着量子力学就是主观的？世界就是我们脑子里的信息？那不成唯心主义了？

其实也没那么极端。

所有这些诠释，都没有改动量子力学的数学框架，实验预测也都是一模一样的。

它们只是对 “波函数到底代表什么” 给出了不同的哲学解读。

当然，这种偏向信息和认识论的诠释，争议也非常大。很多物理学家觉得这是在逃避问题，把物理变成了纯信息论。但不可否认，它为百年争论打开了一个全新的视角。

看到这里你可能会问：难道就没人想回到经典物理的舒适区吗？

当然有。

直到今天，依然有很多物理学家相信，世界本质上还是经典的、决定论的，量子的诡异都只是表象。

其中最经典、最易懂的，当属 “随机量子化” 理论，也叫尼尔森随机量子化，是普林斯顿大学的爱德华・尼尔森在 1966 年提出的。

这个理论的画面非常朴素：根本没有什么波粒二象性，粒子就是经典的质点，有确定的位置和速度。但时空本身在微观尺度上不是平滑的，它在剧烈地随机涨落、抖动。

粒子在这样的时空里运动，就像水里的咖啡颗粒一样，沿着随机路径做布朗运动。

尼尔森最厉害的地方在于：就这么一个纯经典的假设，居然成功推导出了薛定谔方程。

一个完全经典的模型，只是加了时空的随机抖动，就能得到量子力学的核心方程。这让很多人感到震惊，也给了经典派很大的信心。

当然这个理论也有天然短板，比如解释量子自旋就比较费劲。但它的物理图像太直观了，很多教授即使不相信它的物理真实性，也愿意在教学中用它来帮初学者入门。

不过 2012 年，一篇发表在《自然》上的论文给了经典隐变量理论沉重一击。

三位英国研究者提出了 PBR 原理，大致结论是：量子态本身就是客观实体，不可能存在深层的亚结构。当时很多人都觉得，这下隐变量理论彻底完蛋了。

可没想到 2018 年事情又有了反转。

美国研究者里齐仔细分析后发现，PBR 原理没那么强，它只是给隐变量加了更精细的限制。 如果存在深层亚结构，那各部分不可能相互独立，必须有相互作用。但它并没有彻底抹除经典模型的可能性。于是尼尔森模型和其他非定域隐变量理论，又重新回到了赛场。

而真正给经典派带来巨大希望的，是 2013 年的一个重磅猜想：ER=EPR。

提出这个猜想的是两位理论物理界的顶级大咖：伦纳德・苏斯坎德和胡安・马尔达西那。

ER 是什么？就是爱因斯坦 - 罗森桥，也就是我们常说的虫洞，是广义相对论预言的时空结构，相当于两个遥远时空之间的捷径。

EPR 是什么？就是我们前面讲的 EPR 纠缠，也就是量子纠缠带来的非定域关联。

这两个东西，一个是广义相对论的时空几何，一个是量子力学的粒子关联，本来八竿子打不着。但苏斯坎德他们说：这俩其实是一回事！两个纠缠的粒子，本质上就是通过一个微型虫洞连接起来的。

如果这个猜想是对的，那意义可就太大了。

为什么量子纠缠看起来是超距的？

因为它们根本就不是隔了很远的两个独立粒子，它们通过虫洞连在一起，是同一个时空结构的两端。你测量一端，另一端立刻反应，根本不是什么超距作用，信息是通过虫洞传递的。

这样一来，量子力学和广义相对论就有了连接的桥梁，而那些看似诡异的量子特性，也许真的只是藏在时空背后的经典几何图像。

当然，ER=EPR 目前还只是一个理论猜想，没有任何实验证据。但如果哪天它被证实了，那量子理论的基础诠释，恐怕就要彻底改写了。

说到这儿，你可能也发现了：讲了这么多流派，到底哪个才是对的？

答案非常坦诚：不知道。

1997 年和 2011 年，有人做过两次针对物理学家的问卷调查，询问他们对量子诠释的态度。两次结果都显示：没有一个独受青睐的主流理论，学者们的选择非常分散，还有很多人甚至长期不接受任何一种诠释。

毕竟，所有这些诠释，目前给出的实验预测都是完全一致的。我们没法通过实验判定谁对谁错，只能靠理论审美、哲学倾向甚至个人偏好来选择。

但这恰恰是科学最迷人的地方。

一百多年前，我们还以为世界的本质已经被牛顿力学摸透了，剩下的只是修修补补。结果量子力学横空出世，把我们的世界观砸得稀碎。

一百多年过去了，我们能把量子力学用得出神入化，造出芯片、造出量子计算机、造出精度惊人的原子钟，但我们依然不知道，这一切背后的真实世界到底是什么样的。

波函数到底是真实的物理实体，还是我们计算概率的工具？世界的本质是物质、是信息，还是时空的几何结构？上帝到底掷不掷骰子？

这些问题，至今没有答案。