量子力學最大的難題是什么? 為什么量子力學飽受爭議？

前面做了好幾期量子力學的內容，從量子力學的基礎原理到量子退相干，但是這些內容都是基于哥本哈根學派的詮釋。

大學物理課本上有關量子力學的知識，包括波粒二象性，量子疊加，量子糾纏，測量坍塌的概念大都采用哥本哈根學派的解釋。這一學派是由玻爾和海森堡于1927年，在丹麥首都-哥本哈根合作研究量子力學時共同提出的。

在量子力學的發展初期，反對哥本哈根學派的大佬十分多，比如普朗克，愛因斯坦，以及薛定諤。這些大佬之所以極力反對哥本哈根學派，主要是因為哥本哈根學派對量子力學的解釋無法令人信服。

或者說哥本哈根學派對量子力學的詮釋更像是唯象理論，只是歸納現象，而不解釋內部機制。這讓信奉普適性理論的物理學家是難以接受的。

唯象理論簡單來說就是，物理學家只能觀測或者推理出量子世界的運動現象，基于這些現象從而建立方程式模型，然后利用這些方程預測量子世界的運動。也就是說，唯象理論只能概括現象，卻不知道現象背后的機制是什么。

所以費曼才說，沒人懂得量子力學，這句話的潛在含義是，我們雖然能利用方程式預測量子世界的變化規律，但是卻不知道背后的內在機制。

當物理學發展到量子力學這一步時，爭議性顯著變多

而在牛頓時代的經典力學中，好像并沒有太多爭議，大家貌似都很服從牛頓力學。其實本質上還是理論普適性的問題。

事實上，在牛頓之前，開普勒基于天文觀測，就已經提出來了天體運行的三大定律，在這三大定律中，我們知道每一個行星都沿著各自的橢圓軌道環繞著太陽，而太陽則處在橢圓的一個焦點上，在相等時間內，太陽和運動著的行星的連線所掃過的面積都是相等的。

開普勒定律則是典型的唯象理論，開普勒只是基于觀測數據歸納出這樣的規律，卻不知道這些規律背后隱藏的內在機制。而牛頓力學則是揭示開普勒定律內在機制的深層理論。

其實在牛頓時代，很少有物理學家認為牛頓力學是唯象理論，而更傾向認為牛頓力學是可以解釋宇宙所有天體運動的普適性理論。直到麥克斯韋方程式的出現，以及邁克爾遜-莫雷驗證的以太風實驗后，牛頓力學才面臨難以解釋的光速問題。

之后到1900年，普朗克提出能量量子化，1905年，愛因斯坦提出狹義相對論。牛頓力學也徹底淪為了唯象理論。

唯象理論并不是說就是錯的，也不是不能用，而是具有一定局限性。比如牛頓力學只能適用于宏觀，低速，弱場的情況下。除此之外，牛頓力學則會失效。

在廣義相對論提出來之后，我們普遍認為經典力學中的引力概念并不正確，引力的本質其實是質量造成時空彎曲的表象。而很多人在這時候更傾向于認為廣義相對論是普適性理論。

但是這樣的認知依舊不太嚴謹。因為廣義相對論目前也面臨難以解釋的問題，比如無法解釋所有的微觀現象。

在一般情況下，我們會忽略掉微觀粒子的引力項，因為引力本來就是四種作用力里面最弱的，另外，微觀粒子的質量十分小，引力也極小，微觀粒子在強力，電磁力，弱力上的數值以數量級的優勢碾壓引力。所以廣義相對論一般也不用插手量子力學的計算。但是在有一種情況下，廣義相對論不得不插手微觀世界，那就是黑洞內部的奇點。

奇點的體積無限小，所以在尺度上屬于微觀世界，但是奇點的質量卻十分巨大，廣義相對論不得不插手黑洞內部的奇點問題。

在廣義相對論看來，彎曲的時空在無限小的尺度上是平坦的，然后才能計算出整體的曲率，但是奇點本身也是無限小的，所以無窮小的平坦時空，遇到無窮小的奇點，就沒有辦法再被視為平坦的了，無窮小遇到無窮小，計算出的結果可以是任何一個數，這就會造成一個發散的無限大，為了解決無窮大的發散問題，就需要引入一個抵消項，達到重整化的目的。

重整化的目的就是截斷這種無窮小。而在物理意義上，空間無窮小的極限就是普朗克長度，當奇點達到普朗克長度就終結了。所以目前一般采用普朗克長度解決廣義相對論無窮小導致的發散問題。當然這就屬于量子引力理論的范疇了。

在黑洞奇點上，用廣義相對論是難以計算的。

所以廣義相對論的普適性就受到了極大的挑戰。如果嚴格來說，廣義相對論也是一種唯象理論。

從物理學的發展史來看，我們一開始認為的普適性理論大都被后來的理論取代成唯象理論。就和螺旋式上升一樣，被否定才能進步。

我們目前認為普適性理論的代表是能量守恒定律（各種守恒定律），這是因為我們找不到任何一種現象可以否定這些定律。所以它才是普適性的。如果以嚴謹的態度思考問題，目前我們認為的普適性理論在未來也可能會變成唯象理論，就和黑天鵝理論一樣。如果非要鉆牛角尖，否定到最后，只能是“我思故我在”了。

說了這么多，就是為了讓大家明白理論普適性的問題，這時候你再看看量子力學，或許就會有全新的認知。

量子力學是在20世紀才發展起來，之所以這么晚，主要是之前人類的顯微鏡水平遠遠不夠，在19世紀，人類的顯微鏡能看見大分子就已經很厲害了，還很難達到原子尺度。

雖然微觀和宏觀世界沒有明確的界限，但一般認為達到原子級別之下，才屬于真正的量子世界。到19世紀末，20世紀初，人類依靠顯微鏡結合其他方式才真正打開原子內部的世界。

人類第一次了解到原子的結構后，發現很多現象難以解釋，而擺在物理學家面前最棘手的問題就是電子繞原子核的運動規律與經典力學完全不符。

因為按照麥克斯韋方程式的預言，電子繞原子核運動是變速運動，那么電子就會輻射電磁波，從而導致能量不斷降低，繼而墜落到原子核上，而是事實并非如此。

為了解決這一問題，玻爾利用了當時最時髦的理論，也就是普朗克的能量量子化概念。玻爾認為如果電子所在的軌道剛好在，與普朗克常數成正比的量子化軌道上，那么電子則可以在不輻射能量的情況下存在，并且不會掉落到原子核上。

后來，德布羅意的研究表明，如果存在這樣的量子化軌道，那么電子一定是波。再后來，德布羅意發現，除了電子和光子，所有的粒子都具有波動性，包括宏觀物質也具有波動性。這就是德布羅意的物質波概念。

既然粒子都是波，那波就有波狀，而且波狀會隨著時間不斷變化，我們只需描述波狀隨著時間如何演變就能掌握微觀粒子的運動規律，

后來薛定諤方程就完美地量化了粒子波動性的規律。

當量子力學發展到薛定諤方程誕生的時候，其實爭議還不是很大。

這時候，愛因斯坦和普朗克還是比較支持薛定諤的研究。

隨后，量子力學的研究方向才出現重大的分歧，爭議也達到了巔峰。這個時間節點在1927年。因為這就在一年，哥本哈根學派誕生了

就在同年，第五次索爾維會議召開，愛因斯坦和波爾發生激烈舌戰，質疑哥本哈根學派的聲音開始白熱化。

那量子力學各種學派到底在爭什么？

首先要明白，量子力學是研究微觀世界的一門學科。研究的對象就是微觀世界的運動。不管是哪個學派，微觀世界公認的現象有波粒二象性，量子疊加，測量坍塌等等。

但當如何解釋這些現象時，卻出現重大分歧。

比如在電子的雙縫干涉實驗中，只要我們去探測電子，電子就會喪失波動性，從而表現出類似宏觀世界的實體粒子。并且在測量前，這些所謂的“實體粒子”并沒有明確的位置，測量行為也只能預測粒子出現在某一位置的概率。

所以身為哥本哈根學派的玻恩才認為，我們不應該把薛定諤方程中的波動性只看成是波，這種波的本質應該是幾率波，也就是粒子出現在某一空間是概率隨機的（概率波和幾率波并不一樣），這種隨機性在空間表現上就特別像是波的形狀。

所以哥本哈根學派將粒子的波函數視為一種概率隨機事件，而愛因斯坦無法相信這種解釋，在愛因斯坦看來，不會解釋就不要亂解釋，上帝是不擲色子的(shai zi)，所謂的概率，其實是因為哥本哈根學派對量子力學的詮釋不具有完備性，背后肯定還有隱藏的變量在作祟。當然，目前以大貝爾實驗的結果來看，愛因斯坦極大可能是錯的。

在波粒二象性上，波爾用互補原理來解釋，這一原理的直白表述就是 ，在描述微觀物體的量子行為時，位置的不確定性越小，則動量的不確定性越大，反之亦然。粒子性和波動性不是獨立的，而統屬粒子內部的一致性，之所以我們看到粒子有時候是波動性，有時候是粒子性，是因為我們故意設置了實驗儀器。

如果想觀察光的波動性，我們就將實驗裝置設計成楊氏雙縫的樣子，如果想觀察光的粒子性，就又將裝置調成光電效應實驗。所以對于 光到底是波還是粒子這樣的問題，是不具有物理意義的，

因為波動性和粒子性其實就是粒子的內稟屬性，這種性質也沒有任何明顯的分界線。在理論上，我們也不可能制造出可以同時觀察波動性和粒子性的實驗裝置。

以上就是波爾互補原理詮釋的波粒二象性，其實在這一點上，其他學派對哥本哈根學派詮釋的質疑還不是很大。

爭議最大的是在測量坍塌上，我們知道，測量粒子會導致粒子的波函數坍塌，導致波動性“喪失”，而表現成粒子性。

目前主流學界關于波函數坍塌過程有四種解釋

最經典的說法是哥本哈根學派的詮釋。該學派認為測量行為和波函數坍塌應該視為一個整體的系統，測量即坍塌。所以不應該將測量行為獨立于坍塌之外。

但在其他學派看來，哥本哈根學派永遠只是描述現象，從不直面本質。

第二種比較流行的詮釋是羅杰?彭羅斯提出的引力坍塌。

這種詮釋認為，如果一個量子物體處于多個位置的疊加狀態，每個位置狀態都會通過它們的引力相互作用“感覺”到其他的位置狀態。就好像這種引力導致物體測量自己，迫使它坍縮。

第三種詮釋是自發坍塌說，簡稱GRW模型。

GRW模型認為，波函數坍塌是自發進行的，因為波函數總是會受到某些未知因素的干擾，這些干擾就會誘導波函數自發的坍塌成可觀測的狀態之一，也就是本征態。自發坍塌的快慢取決于量子系統的尺度。如果系統尺度比較小，比如說 次原子粒子，那么它自發坍塌的時間就比較長，所以很長時間都會保持波函數原來的狀態。

而如果系統十分大，比如說宏觀物質，那么系統內的波函數就會瞬間坍塌。GRW也是解釋宏觀物質為什么沒有量子效應（量子退相干）的理論之一。

第四種詮釋則是馮諾依曼-維格納詮釋。也就是著名的意識假說。

馮諾依曼認為，量子力學不但對微觀粒子有效，對宏觀的測量儀器乃至于觀察者同樣有效。也就是說，不存在所謂的經典世界和量子世界的邊界，它們都是由量子力學描述的。一切宏觀物質都是由量子微粒構成，因此我們必須假定即使是宏觀物體，也會遵循量子力學規律，所謂的宏觀物質也是大量粒子在一起顯示出來的涌現現象。意識的變化必然會引起微觀粒子量子狀態的改變。而目前我們對意識的本質知之甚少。

所以意識可能就是唯一一個不遵守量子規則的因素。而波函數坍塌的過程也是神秘莫測的，這樣的過程必然是由另一種獨立于規則之外的因素引起的。而目前來說，只有意識符合這樣的要求。所以是意識引起的波函數坍塌。

關于波函數坍塌的詮釋還有很多，比如多世界詮釋，但是這些過于小眾，感興趣可以自己查閱資料。

所以量子力學的各個學派并不是否認量子力學的反常識現象，而爭的是對這種現象的解釋權。

哥本哈根學派之所以能成為詮釋量子力學的主流理論，主要是因為和實驗數據高度吻合。但哥本哈根學派從不過分糾結量子力學背后的內在機制，所以，以哥本哈根學派為主流的量子力學被詬病成唯象理論也是正常的。

事實上，并不是哥本哈根不在乎量子現象的內在機制，而是無能為力。科學永遠只是歸納現象，從不解釋現象。

如果我們非要追求一個所謂的普適性理論，從而著急解釋現象，只會陷入到哲學里。

假設A現象的內在機制是B現象引起的，那么B現象的背后機制又是什么引起的？這樣下去就和俄羅斯套娃一樣，就沒完沒了了，這些深度思辨的活是哲學家的任務，而不是科學家的責任。

哥本哈根學派只負責歸納現象，從不多余猜想，反而造就了量子力學的成功。