量子世界终结之处，经典世界起始何方

引言

量子力学或许是科学史上经受检验最严格的理论之一，但对于它究竟告诉我们关于现实的什么，至今仍没有公认的解释。从量子系统的波动行为，到由固体物体构成的宏观世界乃至整个宇宙，这中间是如何过渡的？

Jonathan Halliwell 是伦敦帝国理工学院的理论物理学教授，一生都在探究量子理论的基础。在本期节目中，他向 Steven Strogatz 解释了为什么退相干——即脆弱的量子行为通过与周围环境相互作用而消散的过程——是量子行为过渡到经典行为的关键，并介绍了他所使用的“历史”方法来理解这一过程。节目中，Halliwell 还直面了这个领域一些最深刻的悖论。他解释了为什么量子到经典的过渡并不需要一个有意识的观察者，并探讨了爱因斯坦那个著名的问题：当没有人看月亮时，月亮是否真的存在。访谈最后，Halliwell 谈到了瑜伽和冥想如何帮助他坦然面对科学中各种相互矛盾的观点所带来的谜团。

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文字稿

[音乐响起]

STEVE STROGATZ：好，我们开始吧。我是 Steve Strogatz。

JANNA LEVIN：我是 Janna Levin。

STROGATZ：这里是 The Joy of Why。

LEVIN：这是 Quanta Magazine 出品的一档播客，我们一起探索当今数学和科学领域一些最重大的未解之谜。

STROGATZ：没错，Janna，是大问题。今天我们要聊的，是其中最大的一个。

莱文： 好的，我挺期待的。我准备好了，也绷紧了神经。

斯特罗加茨： 是啊，系好安全带吧。我们要聊的是量子力学的基础，这可是个让很多人头疼的充满悖论的领域。

莱文： 没错，这确实是科学史上最大的未解之谜之一。量子力学是精确度最高的科学范式，验证精度达到了惊人的小数位数，但至今仍缺乏一种自洽的诠释。我认识没人敢自称完全理解量子力学。

斯特罗加茨： 人们都这么说，对吧？如果你声称自己懂了，恰恰说明你没懂。

莱文： 对，一点不假。那就是个明显的破绽。

斯特罗加茨： 但这确实令人惊讶。正如你所说，这个理论，尤其是量子场论或量子电动力学这些高级形式，验证精度已经达到了我大概记不清的具体数值，可能是 $10^{-12}$ 分之一，或者其他令人震惊的精确度。

莱文： 是的，是个惊人的数字，绝对如此。我们可以向太空发射物体，你的手机依赖它，粒子加速器实验也证明其精度极高，但我们依然没有一种能让常人接受的合理解释。也许只是因为我们的大脑过于笨拙，无法理解这些概念。但我总觉得这样不够令人满意，毕竟没人在举双手放弃时做出过重大发现，对吧？

斯特罗加茨： [笑] 是啊。我们要聊的这位嘉宾叫 Jonathan Halliwell，他是伦敦帝国理工学院的理论物理教授。他长期关注量子力学基础问题，不过他的研究背景是量子宇宙学，这和你自己的领域非常接近。

莱文： 是的，我认识 Jonathan。早年我们在伦敦时经常聚会。当时我在剑桥，而 Jonathan 曾在剑桥待过，后来去了帝国理工。一晃很久了，我非常期待听到他最新的想法。

斯特罗加茨： 那么，我们直接开始吧。Jonathan，请开始你的介绍。

[音乐响起]

斯特罗加茨： 欢迎来到《The Joy of Why》，Jonathan。很高兴你能做客我们的节目。

JONATHAN HALLIWELL：很高兴见到你，也很高兴来到这里。 STROGATZ：我想从你的职业生涯起点谈起。据我了解，你最初从事的是量子宇宙学，即将量子力学应用于整个宇宙的研究领域。 我对此的疑问是，首先这是一个极具冲击力的想法。其次，大学学习量子力学时，或阅读相关科普读物时，我们常听到关于观测者和实验的描述，观测者通常置身实验之外，通过测量使波函数坍缩。 但如果说整个宇宙是那个量子客体，观测者就无法位于系统之外。我好奇这是否正是让你对探究量子理论基础感到无法抗拒的原因。 HALLIWELL：本质如此。正是因为这类疑问，我一开始研究量子宇宙学，后来便投身于量子基础理论的研究。 量子宇宙学最初的驱动力在于大爆炸模型基于量子物质和经典引力。而如霍金、彭罗斯等人证明的定理所揭示，将时间倒推，量子物质结合经典引力必然导致最初的奇点，至少在经典框架下如此。 这意味着存在一个引力和曲率无穷大的区域。这暗示如果仍在物理定律框架内，我们需要一个引力量子理论。因此，宇宙起源或许应由某种量子理论描述，该理论不仅包含物质模，还包含引力场的一些模。 我们现在仍不知完整的引力量子理论是什么，而我做这项工作还是40年前的事。但在量子宇宙学中，你可以选取引力场的某些要素，比如宇宙的整体尺度——标度因子，以及少数几个扰动参数。

然后你可以用比较标准的方法对这些宇宙起源模型做量子化。这多少有些启发式的成分，我不敢说有多靠谱，但至少能给你一幅图景。而这个图景里最吸引人的结果是：宇宙有一个非奇异的起点，而且本质上是量子性的。

至少在简单模型中，这是它带来的美妙之处。在较早期的经典模型里，从几何角度看，宇宙的起点有一个像圆锥那样的奇点——圆锥末端是一个尖点，经典大爆炸模型就是这个样子。但在量子图景中，当你深入到极小尺度时，最微小的部分变成量子性的，原本的尖点就变成了一个类似光滑半球的闭合。

所以我们设想的几何结构有时被称为“羽毛球几何”。这个想法来自 Stephen Hawking 和 James Hartle，被称为宇宙的无边界假设。它在 40 年前引起了巨大关注，至今仍是被广泛探索的课题，也是为数不多的解释宇宙如何真正起源的模型之一。

这就是它有意思的地方。回到你的问题：这真的是量子性的吗？观测者、波函数坍塌这些又怎么说？当时并没有观测者去做测量或让波函数坍塌。实际情况是，观测者是现在才存在的。我们测量的是现在能看到的东西，比如微波背景辐射或宇宙膨胀，更准确地说是实际测量这些现象的探测器和照相底片。

我们观察它们、测量它们，从某种意义上说，正是在做这些测量时我们才让波函数坍塌。但问题随之而来：这些今天的测量结果，我们可以称之为“记录”，如何与过去的大爆炸联系起来？答案在于 James Hartle、Murray Gell-Mann 等人提出的一种量子力学新表述，叫做历史方法，更准确地说是退相干历史方法。

这种方法试图摆脱外部观察者和波函数坍缩的概念。我们实际上关注的是当前的记录，并寻找它们之间的关联。因此，退相干历史方法提供了一种在量子力学中将当前记录与我们认为过去发生的事件联系起来的途径。虽然有些绕弯，但它避免了必须断言过去在某种意义上确实发生过，或波函数在过去发生了坍缩。

STROGATZ： 嗯，很好。你已经给了我们很多值得深思的内容，所以让我们开始构建这些你刚才提到的概念。退相干将成为我们讨论的一部分。我们将讨论量子力学的基础。有几个老生常谈的话题几乎不可避免，让人忍不住要聊。

其中之一就是薛定谔那只不幸的猫。我想知道你能否通过回顾那只猫来开启我们的讨论。那个思想实验原本是为了说明什么？

HALLIWELL： 它旨在说明量子物理中的一个现象，即一个系统、粒子或猫，可以同时处于两种不同的状态。

说实话，我对谈论猫这件事有点抵触。这个术语已经固定下来，以至于我那些非物理界的朋友一听到就会皱眉，其实我也能理解他们的感受。

STROGATZ： 我猜这是因为你热爱动物，或者出于道德考虑。你对薛定谔的猫有什么异议？

HALLIWELL： 两者都有。当时人们并未考虑这些伦理问题，该短语在早期阶段就进入了讨论。我认为如今已无法引入这类术语了。不过这只是个小细节，我不想因此偏离主题。

STROGATZ： 好的 [笑声]

HALLIWELL： 让我们换一个更简单但本质相同的例子，也就是著名的双缝实验……

STROGATZ： 好。

HALLIWELL： 在这种实验中，你将粒子制备成向外传播的波态。例如，你有一个电子源，向一块开了两个孔（间隔约一毫米）的屏幕发射电子，另一侧则设有探测屏。

接下来发生的情况是：波同时穿过了两个孔，然后在屏幕上形成了干涉条纹，即一系列明暗相间的区域。你或许会说，不，这其实是一个电子，是一个粒子，是一个固体块状物，就像台球一样。它肯定只穿过了其中一个孔。事实上，如果你挡住其中一条狭缝或另一条狭缝，干涉条纹就会消失。因此，一旦你假设它只是一个确定走左边或右边的粒子，你就再也观察不到干涉现象了。

所以在某种意义上，你拥有的看似坚硬的粒子，确实同时穿过了两边，并在另一侧产生了干涉。让我打个形象的比方。亚基尔·阿哈拉诺夫写了一本关于量子悖论的精彩著作，封面上画着一个男人在雪地森林中滑雪。

他留下了平行的滑痕，在某个时刻他回头查看痕迹去了哪里，结果发现他的滑痕同时出现在了树木的两侧。这显然是滑雪者做不到的，但这就是量子物理中发生的事情。电子回过头，注意到干涉仪中的痕迹，发现自己确实同时穿过了两边。

斯特罗加茨： 我之前没听过这个比喻。你描述的这个几何关系很有趣。让我确认一下我们是否理解了你之前描述的这个电子双缝实验。当我们听到波粒二象性时，人们习惯把光看作波，如果光子数量足够多，我们可以在脑海中构建这种连续近似。

我们学过干涉。但关于这点，我记得读过的内容中最令人惊叹的是：即使你将光强降低到实验舱内每次实际上只有一个光子，或者在你的案例中，单次电子，就像那个神奇的滑雪者一样，它们似乎能和自己发生干涉。

哈利韦尔： 完全正确。最初在做双缝实验时，人们可能会说：“好吧，是一大片粒子穿过去了。”但事实是，当你把强度降得非常低，确保装置中每次只有一个粒子，它依然具备这种特性。

事实上，如今科学家已经能用相当大的物体做干涉实验了，比如包含数千个原子的体系。某些效应甚至已经接近肉眼可见的程度。这就涉及宏观量子实验，也引出了一个问题：一个系统最大能做到多大，还能与自己发生干涉？

这一切背后最根本的问题，其实关乎量子层面的世界观。量子世界有各种奇怪的现象，但深层次的世界观是：量子世界本质上是波的世界，波的直观性质和粒子完全不同。举个简单的例子：一辆警车鸣着警笛驶过，如果门和窗都开着，声音会同时从门和窗传进来，这没什么稀奇的。但如果一个固体也能同时从门和窗进来，那就非常惊人了。然而在原理上，这是真的，因为在微观层面，波动性才是物质的基本属性。

STROGATZ: 那么在波粒二象性这个问题上，听起来你的意思是，要最好地理解量子理论，我们应该从波的角度来思考？

HALLIWELL: 是的。人们常说粒子有时表现得像波，有时像粒子。但量子理论真正说的是：它永远是波，只是有时波会非常紧缩地集中在一个点附近。

STROGATZ: 哦，我明白了。

HALLIWELL: 比如水波，它可以是一条非常尖锐的波峰。当它涌向海滩时，假设水面下有一个矮障碍物，比如贴着水面的墙，那么一道波就会分成两道：一道被反射，一道继续传播。在量子物理的散射实验里，同样的事情真实发生：你射入一些粒子，一部分被弹回，一部分继续前进。你以为的单个粒子，最终变成了分开的两部分。

STROGATZ: 你刚才提到了我希望成为我们这次讨论核心之一的问题：从存在干涉图样、物质和能量呈现波动性的量子世界，过渡到我们所熟悉的宏观世界——也就是我们生活的这个世界——这个转变是如何发生的？为什么我们在日常尺度的物体上看不到干涉现象，比如月亮，或者我们自己？

HALLIWELL：是的，这是个大问题。第一个特征就是所谓的“粗粒化”（graining）。从远处看，波浪是平滑的；比如在 3 万英尺高空俯瞰海洋，它几乎像一块平滑的平面，但一旦靠近，就会发现完全不是那回事。

所以，在粗粒尺度上，波动模式就消失了。但这比那个说法更具体。描述物理系统时，某些量变化非常缓慢，而另一些则变化极快。假设你有一个大质量粒子，正在被分子不断撞击。

就像著名的布朗运动例子：一个花粉颗粒（相比原子尺度算是比较大的）被分子撞击，从而四处抖动。这个大粒子会表现得非常“经典”。具体来说，来自其他系统（我们常称之为环境）的撞击会“杀死”干涉——这是我们的行话。它通过平滑化并破坏波动性，来抑制那些产生波动特征的干涉效应。

STROGATZ：这个过渡太完美了。量子相干性和量子干涉图案的脆弱性。我很喜欢“bombardment”（轰击）这个词，虽然它很激烈、甚至有点暴力，但它给出了正确的直觉：量子系统时刻面临风险，可能被迷途光子、气体分子、微小的电磁场等各种因素撞击。正如你所说，环境会通过“摇晃”或“打乱”来破坏这种微妙的量子态。这和你们之前提到的“退相干”（decoherence）有关，对吗？

HALLIWELL：是的。就是破坏干涉，或者说是相干性的逆转，没错。

STROGATZ：那么，退相干是否就是让系统停止以纯粹量子特性运作、转而更像经典系统的关键？

HALLIWELL：完全正确。自 Schrödinger 开启的现代量子理论诞生以来，我们已经有了 100 年的历史。最初的旅程是从经典世界进入量子世界，这把我们带到了 Schrödinger 著名的方程以及那些怪异的量子效应。

但同样重要的是做“返程”：如果说万物皆量子，那我的桌子为什么不是？或者到底发生了什么？当你回到宏观粗粒度的世界，为什么它实际上表现得不再具有量子特性，尽管它由极其量子的物质构成？这就是退相干过程。正如你所说，量子效应其实非常脆弱。你需要费力去维持它们，比如需要近乎隔离的腔室等。很难找到那些能长期保持的量子效应。

我的意思是，确实存在一些比较稳固的特性，比如某些导电材料的电学性质就相对稳健。但像叠加态这类真正离奇的量子现象，则很容易被破坏，原因多种多样。我花了大量时间研究不同类型的量子效应，搞清楚哪些会迅速消失，哪些其实相当稳健。

STROGATZ：那我猜我想问一个相关的问题：当我们谈论退相干时，是说系统的量子行为对我们变得不可知？也就是说，通过与环境的混合或纠缠，导致我们失去了认知能力，还是说这背后有更深层次的含义？不仅仅是知识获取上的不可达。

HALLIWELL：我认为大多数人会认为这是关于不可知性的问题。想想薛定谔猫实验：你有一个微观系统进入了两个状态的叠加，比如几个自旋，然后这些自旋又与一个大系统纠缠在一起，在这个案例里，就是那只不幸的猫。

实际上，在一个现实可行的实验中，任何大系统都会很快被其周围的环境——比如周围的光子——退相干掉。但那些纠缠、那些量子特性其实仍然存在，只是散得又远又广。所以如果你有一个小粒子，比如做布朗运动的颗粒，它在某种意义上仍然是量子的，尽管它的量子信息已经散开了，但信息量太大。你知道，所有的信息比特都散布在那遥远的“视界”之外，你很可能永远无法把它们全部收回。

STROGATZ： 嗯！听起来你把观察者拉进来了——也就是说，量子性并没有消失，而是泄漏到了房间里，或者说泄漏到了整个环境中，到那个地步我们就很难测量了。

HALLIWELL： 没错。量子理论早期，有很多人讨论观察者本人是否在其中扮演某种角色。约翰·贝尔（John Bell）是研究这类问题的著名先驱，不过我觉得他在这方面的说法有点修辞性的夸张过头了。所谓观察者，究竟指什么？实际上，它的意思就是某个环境中存在一个周围系统，真正把信息存储了下来。

但这仍然留下一个问题：假如存在某种“超级观察者”，拥有几乎无限的信息处理能力，能否测量正在发生的一切？原则上讲，是可以的。这里面其实有一个信息论的维度。

不过，正如你可能知道的，量子系统的信息存储容量远超经典系统，这也是刻画量子物理的方式之一。

STROGATZ： 你还没说出“量子计算机”这个词，但你是在暗示这个吧？

HALLIWELL： 本质上是的。这和量子系统的信息存储能力、处理能力有关。虽然这不是我专长的领域，但每当有人发现新的量子效应时，这都是一个重要的参照点。第一个问题就是：它是不是一种资源？能不能让我们做到经典系统做不到的事？实际上，很多情况下确实可以。

[音乐响起]

LEVIN： 哇。好，你谈到了量子力学中的观察者。这是量子力学对流行文化的一大“毒害”之一——那种说法让人觉得量子力学必须有观察者才说得通，是观察者让波函数坍缩，至少人们当年是这么讲的。

也许可以这样理解：事情处于叠加态，直到观察者将量子客体“渲染”到确定的状态。但在这许多方面，这纯属误导。我相信乔纳森费了很大劲去解释，根本不需要人类意识参与。可这种说法还是在外界引发了许多关于意识的空谈，而关于量子力学的这些陈词滥调至今难以彻底驳倒。

即便现在，仍有人会说：“啊，但你知道，量子力学和意识。”这两者并非相关概念。我认为乔纳森做了极为重要的工作，将其剥离出来，指出观察者完全可以是环境——一个无思的环境，一簇无意识的分子。

斯特罗加茨： 我从小读量子物理的科普读物，听到很多关于观察者的说法，当然也有很多关于波函数坍缩的内容。不过我不太确定这个问题是否已彻底了结。你所说的是过去被称为哥本哈根解释的观点，对吧？源自尼尔斯·玻尔及其学派。

莱文： 没错。

斯特罗加茨： 这是一种早期的尝试，旨在大致给出某种哲学解释，以说明测量问题中究竟发生了什么。它至今仍有影响。

莱文： 这仍是个问题。我认为哥本哈根解释和多世界解释都依然存在。我觉得退相干历史也许是两者的替代方案。在哥本哈根解释中，某种因素导致叠加态坍缩，叠加的粒子采取确定状态，比如它的位置。

而在多世界解释中，情况并非如此。发生的是你、观察者、热房间或猫——无论具体是什么——进入了叠加态并分支出去，两种可能性在某种超世界中共存，这种多世界解释让所有可能性不断分岔、持续实现。这在量子力学中出人意料地流行，且令人困惑不已。

斯特罗加茨： 确实非常出人意料。

LEVIN：太令人惊讶了！就我个人而言——不确定我是否完全理解正确——我已经很久没和 Jonathan 讨论这些想法了——退相干历史（decoherent histories）不属于上述任何一种解释。它的核心论点是：“看，相互作用如此之多，量子概率也如此复杂，系统根本无法维持那种确定的形态。”

量子性并未消失。只是在宏观尺度上，由于历史路径（histories）多如粒子般浩瀚，量子特性变得不再那么分明。我认为这就是他的观点方向。我不确定如果向量子物理学家群体抽样调查，他们会在这些立场中如何分布。

STROGATZ：嗯，这可能有点像宗教问题。除了信徒，还有无神论者、不可知论者，以及那些被戏称为“冷漠论者”（apatheists）的人，对吧？他们根本不在乎。确实，我想客观地认为，很多量子物理学家觉得：“我对基础理论不感兴趣。我只想进行测量、做实验、出结果、造新设备。”在不纠结基础理论的情况下，其实也能走得很远。

LEVIN：是啊，我们可以把东西送上太空。

STROGATZ：没错。

LEVIN：意思是，我们能走得非常远。

STROGATZ： 所以我们要涵盖的内容很多。稍后休息回来，我们将讨论从宏观实在论（macroscopic realism）到关于大爆炸（Big Bang）可能涉及的神话学等所有话题。

[音乐播放]

STROGATZ： 欢迎回到《好奇的乐趣》（The Joy of Why）。今天我们与理论物理学家 Jonathan Halliwell 进行对话。

此刻，我想深入探讨宏观实在论这一概念。我知道你对此非常感兴趣，并且进行了大量研究。让我先用爱因斯坦的一句名言开场，这很贴近我们想讨论的主题。

爱因斯坦当年在思考量子理论悖论时，有一句名言：“我宁愿相信月亮在那里，即使我没在看它。”那是尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）力推“观察者”思想的时代——即必须考虑观察者的存在。那时人们会质疑：在测量之前，断言一个物体具有特定速度、位置或自旋态，真的有意义吗？

爱因斯坦想：“当然，我愿意相信月亮在我不看它的时候也依然存在。”请给我们讲讲宏观实在论（macroscopic realism）到底是什么意思，爱因斯坦和月亮这个小类比里缺少了什么？

HALLIWELL： 没人看的时候月亮真的在吗？这正是我们讨论的问题。事实上，第一篇检验宏观实在论的实验论文，我记得标题好像就叫《月亮不在那儿》（No Moon There）之类的。

这里有一整套概念，我可以大致勾勒一下。一方面，这些对宏观实在论的检验，其实是“经典性”的一种版本，专门针对随时间进行连续测量的单个系统。也就是说，当你测量某个东西时，得到的结果未必是它真实的值，而可能取决于别处正在发生什么。

这就是所谓的“语境性”（contextuality）。这正是 Leggett-Garg 宏观实在论检验中发生的事情。这类检验想做的，是在进行两次时间测量时，排除对量子结果的经典解释。当你面对一个非常量子的情形时，会得到一些在经典框架下显得相当悖论的结果。

说到宏观实在论是什么：我们取一个简单系统，比如一个自旋，只有两个取值；或者更复杂一点，对某个粒子（比如月亮）做近似的位置测量，然后反复测量多次，计算出平均位置或平均自旋。

关键在于，你还要计算不同自旋之间的关联，比如两个自旋是否相同？然后你就可以基于这些关联和测量，检验它们是否与某个经典模型一致。所谓经典模型，指的是存在一个底层系统，其中被测量的量有确定的值——自旋要么是正要么是负，位置要么确定是这个、要么确定不是这个。

这听起来简单得不得了，但“取值的确定性”这个观念，在量子理论中很可能并不成立。而你证明它不成立的方法，恰恰是先假设它成立，然后推出自相矛盾的结论。

STROGATZ： 那么，当你谈到确定值——一个粒子或量子系统具有确定值——这是相对于什么而言的？

HALLIWELL: 这是个非常好的问题。在量子物理中，存在一种所谓的“叠加态”，粒子例如可以同时在两个位置。我们可以说，位置是不确定的。但事情比这更微妙，它可能表现为在此处或彼处的概率分布。

不过，在量子物理中，你可以进行测量，证明粒子确实同时在两个位置，然后分别在每个位置进行测量，会发现它确实在此处，也确实在那处。因此，有些人将其称为“雾态”或“不定态”。

唯一能说的是，如果你假设它是“不定态”，并且假设不同的测量之间互不影响，那么你就会发现矛盾。因此，“它处于确定态”这一假设是错误的。实际上这是一种间接的论证。你只能反驳“确定态”的世界观。这是一个非常难以捉摸的概念。我认为，从概念上讲，它是量子物理中最重要的概念。

STROGATZ: 所谓“确定态”与“叠加态”……的区别？

HALLIWELL: 与叠加态的区别，但这甚至超出了这一点。有时候，即使面对叠加态，你仍然可以找到一个具有确定态的底层模型。这归结于“上下文依赖性”（contextuality）这一概念。另一种解释“不定态”的方式是：当你进行一系列测量时，如果它们之间存在你未察觉的相互依赖关系，那可能看起来就像“不定态”。

但在量子物理中，我们设计实验的方式确保不存在这种上下文依赖。例如，两个处于纠缠态的遥远粒子，我们安排它们无法进行任何信号传递。然而，它们看起来仍然像是在互相交流。这才是真正的谜所在。

量子力学对此有解释。量子力学的解释是：粒子由波描述，而波是非局域的，它在空间中扩散。只有当你试图将其视为两个独立的粒子时，才会看到两个具有不同状态的粒子。波就像全息图，全息图的每一小部分都包含整体信息。这其实是一个绝佳的类比。

斯特罗加茨：我很好奇，你之前提到双缝实验时，如果我们断言粒子确实只从左侧或右侧狭缝穿过，那么根据这一假设，记录屏上应该呈现双峰概率分布，而非干涉条纹，对吗？

哈利韦尔：干涉图样会改变。实际上，你可以将双缝实验转化为检验宏观实在性的 Leggett-Garg 测试之一。

斯特罗加茨： 是这样吗？

哈利韦尔：也就是说，你先在第一个时间点进行测量：它是从左侧还是右侧狭缝穿过的？随后，你在屏幕上的某个微小局部区域观察，并提问：“它是否到达这里？”

这样，你就在两个时间点拥有了简单的历史轨迹。接着，你进行一系列关于相关性和平均值的测量。结果你会发现，如果给这些量赋予确定值，就会导致矛盾；更具体地说，会得出一个负概率。

本质上，Leggett-Garg 不等式或 Bell 不等式描述的其实是某些事件的概率。然而，这些概率实际计算出来却是负数，这意味着底层概率根本不存在，从而证明我们假设其具有确定值是错误的。

在 Leggett-Garg 理论中，我们试图解释为什么顺序测量遵循极其非经典的规律，前提是我们能够证伪“侵入性”这一概念。我在书中花了大量篇幅试图理解这一点，但难度极大。整个领域充满了漏洞。

斯特罗加茨：你刚才用的“侵入性”这个词很有意思。这让我想起人们过去解释不确定性原理时常用的画面：测量会干扰系统，比如电子或光子会让系统偏离轨道。测量的行为确实会干扰系统，对吧？

这一点曾成为旧式哥本哈根诠释的教条。按照我对你的理解，Leggett-Garg 测试似乎在表达更深层的含义：即使我们极力小心，对系统进行非侵入性测量，经典图景依然会失效。我这么理解正确吗？

HALLIWELL: 差不多是这样。在 Bell 实验里，如果两个粒子靠得比较近，你总可以说：“你得到的是量子结果，但一个信号传递极快的经典系统也能给出同样的结果。”

而在 Leggett-Garg 实验中，你可以做两次连续测量。如果得到了预期的量子结果，你仍然可以说：“其实是你第一次测量时手笨了。”——这个词是我们的行话。

STROGATZ: 这个词挺管用的。

HALLIWELL: 在 Bell 实验里，这叫信号漏洞；在 Leggett-Garg 实验里，我们称之为“笨拙漏洞”——也就是说，一次笨拙的经典测量同样能解释那些量子结果。这是事实，你确实可以构造出这样的模型。

所以这其实不完全是量子的问题。真正的问题是：你能不能排除掉一个包含侵入式测量的经典模型？

不过这里确实也牵涉到量子测量中波函数受影响的一面，但这一部分实际上可以单独剥离出来。打个经典的比方：你开车超速，警察用雷达枪测速，雷达波从你的车上反弹回来，据此算出车速。

雷达波的反弹其实会让车稍稍减慢一点点——动量确实变了，但小到微不足道。可如果对象是量子粒子，一个光子的反弹就可能产生相当显著的影响。

Leggett 和 Garg 当初提出过一种实现非侵入性的办法，叫做“理想负测量”。假设粒子在第一次测量时面临两条路径，你只在路径 A 上装探测器，路径 B 上不装。

如果探测器没有响，你就推断走的是路径 B——但探测器并不在 B 上，所以实际上没有扰动任何东西。在经典世界里，这确实是非侵入的。但这里面有个棘手的争论：有人说，这本质上是量子的，涉及的是波函数，而波函数是同时穿过两条狭缝的，所以在量子层面上，它仍然造成了侵入。

要想绕过这个争论，还得费一番周折才行。

STROGATZ： 那实验到底把这些思路推到了什么程度？比如，我们目前是否还停留在光子、原子和微小晶体构成的微观世界里？

HALLIWELL： 确实。目前开展的是针对相当大系统的干涉仪实验。我想牛津大学的 Vlatko Vedral，他是这个领域的专家，他曾提到“薛定谔的病毒”大概就是我们可能达到的尺度。

那些实验只是证实了双缝实验中存在干涉条纹。而 Leggett-Garg 测试做得更多，它不仅证实了量子效应，还排除了其他经典的解释，这是更强的结论。

这挺有意思。即使干涉不太强，你仍然能得到干涉条纹，但其实存在一个经典模型来解释它。关键在于，干涉是由波穿过两个孔产生的，出来的是两列波。它们不是概率，而是有正负起伏的波，可以发生相长干涉，使波幅变大。这其实也是个经典效应，因为如果你把两个概率相加，结果也会变大。

但波也可以发生相消干涉，彼此抵消。也就是说，两列波进来可能变成没有，这在概率里是不可能的。现在，如果相消干涉不是太强，你仍然可以把它们建模为经典概率流，这样就能满足 Leggett-Garg 不等式，这实际上意味着在某种有限范围内，存在对干涉条纹的经典模型。

所以，对于使用大粒子的大型干涉仪实验，要真正断定这绝对是量子的而非伪经典的，基本上需要违反一条 Leggett-Garg 不等式。这在原则上是可以做到的。我的意思是，甚至只用现有实验的数据也基本能做到。

STROGATZ： 让我从一些更理论性的点退回来，聊点更个人的话题。其中一点真的只是观点问题，但我敢打赌你也有强烈看法：迄今没有任何实验与量子力学或量子场论相矛盾。我不确定我们该把这事推到哪里，那为什么我们要不断去测试它？通过这些测试将量子效应推向更大的系统，我们希望能学到什么？

哈利韦尔： 是的，这一点非常关键。量子力学在实验预测上表现出惊人的精确性，许多结果已经被验证到极多的小数位，至今这套形式体系内部没有发现任何矛盾。甚至可以说，我认识的一些量子基础研究专家都直接问我：“你们还在测什么雷吉特-加戈（Leggett-Garg）不等式来验证量子行为呢？反正大家都清楚量子物理是对的。”

我对这种说法持保留意见。这听起来像是在盲目信奉某种教条，接受某个结论就是真理，这一点其实可以展开更大范围的讨论。但无论如何，所有理论都必须接受实验检验和验证，这是绝对的原则。

如果我们真的观测到理论与现实出现偏差，那将是一件极其美妙的事。但最让人震惊的依然是，至今从未观测到任何与理论不符的差异。我认为，这一切背后真正探究的是量子物理的真实诠释，包括贝尔不等式和雷吉特-加戈不等式等研究。它们的作用在于排除某些非常自然的世界观。

例如，贝尔不等式表明，量子物理和实验结果与“局域实在论”的世界观是一致的。也就是说，粒子拥有确定的属性，这些属性独立于远处粒子在做什么。类似地，雷吉特-加戈不等式测试的是“宏观实在论”。它主张粒子拥有确定的属性，这与过去的测量或未来的测量无关。所以，我们现在知道现实“不是”什么样的。

当然，还有其他世界观，或者说是其他诠释。其中最著名的一个是对这些观点的补充：玻姆力学（Bohmian mechanics），如果你熟悉的话，也就是德布罗意-玻姆（de Broglie–Bohm）理论。它基本上采用基于波函数的标准量子力学，但认为粒子既有波函数，也有位置轨迹。这样你就不用纠结“粒子在这里还是那里”的问题，因为粒子确实拥有轨迹，确实位于某个确定的地方。波函数退居幕后，作为一种“导引场”（guidance field），就像流体一样流动，告诉粒子该怎么做，但粒子始终处于确定的位置。这种观点非常有吸引力，而且它实际上在量子物理诞生之初不久就被提出了。

而且很多人喜欢这个诠释，因为它让人心里有底——你有一条确定的路径可走。但它有个特点：非定域。因为既有波函数又有粒子，粒子的行踪虽然确定，波函数却可以弥散到各处。所以引导粒子的场，可能依赖于非常遥远的观测者。它基本上是说，在涉及遥远粒子纠缠的情形下，一个粒子确实可能取决于另一个粒子在做什么、或者你在另一个粒子上测到了什么。但也可能事实就是这样——你可以有一个一切都确定、却是非定域的世界。而这也说不定是真的。所以这就是为什么我不相信有唯一的真理，我相信的是多元视角。

STROGATZ: 能展开讲讲这个想法吗？我在为这次对话做功课时了解到，你对瑜伽、冥想之类有兴趣，也一直在实践。这和你说的这些视角有关系吗？

HALLIWELL: 没有直接关系，但就我对物理学和科学观念所持的态度与视角而言，这类实践在某种程度上对我有帮助。早年我一心想搞清楚宇宙究竟是怎么起源的，我们真的很想知道答案。而现在，我更能安然地与这份神秘共处了。

我做科普演讲时有个感觉：对物理感兴趣的普通大众，会因为无法真正理解而感到不安。他们希望物理学家能就大爆炸给出某种神话般有意义的解释，否则就不满足。而我呢，从更偏精神层面的另一个视角找到了答案——我更愿意安然地与多元视角的神秘共处。

有一位美国宇宙学家，现在更像一位神话学者兼作家，叫 Brian Swimme（S-W-I-M-M-E），你可能听说过他。他的出发点是：各种社会都有这样那样的创世神话，而现代社会未必有这样的神话。

但他说：“不如这样，我们把大爆炸宇宙学当作我们这个时代的现代神话。我们不必把它当成真理，但可以把它当成一个有意义的神话故事，从中获得指引、目标或视角等等。”

在大众演讲中，我意识到自己其实填补了一个认知空白。人们虽然知道大爆炸，但往往将其当作既定事实来接受，这并不能真正满足他们深层的求知欲。

STROGATZ: 你描述的这种视角很有趣，就像同时持守多种可能性，并保持一种类似叠加态的舒适感。感觉你在自己的思维中，似乎抗拒“坍缩”的发生。

HALLIWELL: 是的。我的一些非物理专业的朋友，甚至物理界的朋友都会说：“嘿，作为一个以严苛著称的理论物理学家，你怎能容忍这些更玄妙、更偏向灵性或神话的东西呢？”

关键在于，在物理学中，20世纪初期经历了两次重大革命：相对论和量子理论。相对论揭示了时空并非我们想象的那样；量子理论则表明物质也绝非我们认定的那样。因此，物理学家必须极大地调整自己的世界观。

新的视角总会不断出现。下一代科学家肯定会用全新的方式去理解这些事物。

量子信息是当前的热门趋势，很多人倾向于用量子信息的概念来解读诠释问题。我认为，我们最终会看到多种不同的方式，它们其实都在表达量子力学中那种怪异性与神秘性的同一本质。

归根结底，我信仰“神秘感”。与神秘和不确定性共处，是最让人安心的状态。事实上，我曾听一位冥想导师引用千年古训说，这些问题的核心往往关乎无限，关乎宇宙起源。

与其纠结“它是什么”，不如问“我与此有何关系？”这是一个简单的问题，在许多灵性传统中都能看到。这就是我与物理学相处的状态：面对如此巨大的不确定性，我该如何自处？

STROGATZ: 非常愉快。感谢你在《探索为何的乐趣》节目中抽出时间。这次对话真的引人入胜。

哈利韦尔： 对我也是。非常感谢您的精彩对话。

[播放音乐]

列文： 很高兴乔纳森提到了冥想。我不确定如果他不提，我是否敢提。乔纳森以前常练瑜伽，我记得很清楚。那阵子我也很喜欢瑜伽，我们也会聊这种联系——即尝试不带假设、推测或理论地去观察，对吗？ 我们当时过着这种双重模式的生活：一种是对世界进行理论化，试图借此理解它；另一种是冥想的模式，看着念头流动，而不去试图理解它。在我看来，他所描述的正是这种二元性，他乐于去体验它，或者说，仅仅是感受它。

斯特罗加茨： 嗯嗯。我得说，作为一个没练过冥想的人，当他在谈论创世神话时，我一开始纠结于“神话”这个词。我们听到这个词时，它有好几种用法。有时它是贬义，比如“哦，那只是神话而已”，表示不屑。他显然不是这么用的。他说创世神话赋予人们意义和目的，帮助他们在我们所处的浩瀚宇宙奥秘中定位自己。所以，我是理解正确了吗？你们听到“创世神话”这个词时有什么感受？

列文： 是的，我也对此感到意外，尽管我刚才提到了观察并容忍未知与不可解。但这与神话不同。在我看来，神话做的是非常强烈的事——对某事物做出无法证明的断言。总之，我理解为什么听到这个词会让人有点不舒服。 确实听他聊这些很有趣。在那次对话中，我不确定他是否暗示：当人们试图理解大爆炸时，他们寻找的其实是一个替代物，或是神话本身。无论人们是否在寻找它，对于像我们这样试图理解宇宙起源的职业科学家来说，那肯定不是我们在做的事。

你想啊，就算今天把所有神话和关于神话的记忆都毁掉、重建文明，还是会诞生新的神话。但量子力学不一样——不管用矩阵还是别的什么方式来描述，它都是可以重新被发现的，而神话做不到这一点。我不知道……你怎么看，Steve？

STROGATZ：嗯，好吧。我的问题是：Jonathan 说的“多重视角”，其实在量子理论本身里就经常出现。比如回到最开头，Schrödinger 提出了波动力学，在那之前 Heisenberg、Born 和 Jordan 已经有了基于矩阵力学的方案，后来 Dirac 有他自己的路子，Feynman 最终又搞出了路径积分求和的方法。就说前两者吧，矩阵力学和波动力学是两种视角，结果在数学上是等价的。量子力学只有一个，对吧？

所以当 Jonathan 谈论多重视角时，宇宙其实只有一个——先不谈多重宇宙，就说我们所处的这个宇宙、我们在多重宇宙中可观测的这一部分，它就是一个东西。那如果我们有多种视角，它们不是必须彼此一致吗？

LEVIN：是的。这其实非常有意思，因为他早期在量子宇宙学中关于退相干的工作，正是在形式化地研究这个问题：一个封闭的量子系统，宇宙之外没有任何东西，一切都在这个封闭系统之内。他在这方面细致而深入的思考正是他早年成名的原因——所有这些都可以在宇宙自身内部完成。说实话，我觉得这相当深刻。

STROGATZ：谢谢，总结得非常好。我们就聊到这里吧。

LEVIN：好，就此启程，奔向广阔天地。那下次见。

STROGATZ：下次见。

[音乐响起]

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STROGATZ：《The Joy of Why》是来自《Quanta Magazine》的播客。该刊由 Simons Foundation 资助，拥有独立的编辑权。Simons Foundation 的资助决定不会影响本播客或《Quanta Magazine》在选题、嘉宾选择及其他编辑事务上的决策。

《The Joy of Why》由 PRX Productions 制作。制作团队成员包括 Caitlin Faulds、Jade Abdul-Malik、Genevieve Sponsler 和 Merritt Jacob。PRX Productions 的制片主管为 Jocelyn Gonzales，项目总监为 Edwin Ochoa。

在《Quanta Magazine》方面，Simon Frantz 和 Samir Patel 在 Samuel Velasco、Kit Sudol、Simone Barr 以及 Michael Kanyongolo 的协助下提供了编辑指导。Samir Patel 是《Quanta》的主编。本期节目的视觉设计出自 Chanelle Nibbelink 之手，Logo 由 Jaki King 和 Kristina Armitage 设计。特别感谢 Cornell Broadcast Studio 的 Garth Avery。

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[音乐渐弱]