量子力学诞生已近一个世纪。在最近的几十年里，它给物理学、工业和人类生活带来了翻天覆地的变化，我们赖以生活的半导体工业、激光、核磁共振都来源于此。然而，虽然量子力学无比实用，科学家对量子力学基本概念的理解却一直停滞不前。举个例子：量子力学波函数到底是真实的存在，抑或仅仅是科学家用来计算的工具？箱子里既活又死的薛定谔猫，真的存在吗？

　　帕特鲁斯基讲座（Patrusky Lecture）是美国科学写作促进会自2013年开始举办的讲座，旨在促进科学家与科学写作者之间的交流。今年的演讲者是著名科学家、1979年诺奖得主、物理学标准模型的奠基者之一史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）。温伯格教授准备相当充分，不过仅仅在开头提了一下科学写作，就转入了他近年来对量子力学基本概念的新的思考。他曾经同大多数物理学家一样，认为量子力学只要实用就够了，无需深入探讨其基本概念和含义，但最近，他对量子力学的各种诠释越来越不满意，呼吁科学家发明新的理论来解释一些存在已久的问题，将量子力学外推到更广的范围内。

　　本文来自《环球科学》杂志，经微信公众号环球科学Scientific American（ID: huanqiukexue）授权转载。

　　听译丁家琦、韩冬

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　　科学新闻写作有多难，想必不用我来向大家介绍了。医药和技术方面的新闻可能还好，毕竟这是跟大多数人的日常生活密切相关的题材，但和物理相关的写作就格外困难了，因为物理学和数学所用的语言不在我们日常语言的范畴之内。而在物理学的范围内，最难上加难的题材又是量子力学，它是如此反直觉（counter-intuitive），以至于只能用数学的语言才能准确地描述它。其实说这些都是为了博取你们的同情（众笑），因为我今天所要讲的，正是量子力学中诡异、甚至反直觉的要素，它们因何而产生，以及为了解释这些性质而诞生的两种思想流派，同时也将解释为什么我和其他一些理论物理学家（当然不是全部）对这些理论感到不满意，以及接下来科学家应该怎么做——或许我们能发明一种新的理论，将量子力学外推到更广的范围内。

　　史蒂文·温伯格。图片来源：《环球科学》

　　「但概率难道不是体现了我们对研究对象了解得还不完全吗？」

　　量子力学的奇异性始于19世纪末20世纪初，当时的物理学家正努力研究世界是由什么构成的。他们原本认为有两类不同的物质：像原子，以及原子内部的电子、原子核等等都是粒子（particle），而弥散在空间里的则被称为场（field），比如电磁场、引力场等等。到19世纪末的时候，科学家已经知道光的本质就是一种可以独立存在、自我维持的电磁场。然而，1905年，爱因斯坦却发现，通过加热物体而产生的光竟然可以被分成一个一个无质量的粒子，这些粒子后来被称为光子（photon）。另一方面，20世纪20年代，路易·德布罗意（Louis de Broglie）、埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）等人发现，电子——这种一直以来都被当做粒子的物质，竟然也拥有波的性质。为了理解原子的能级性质，我们不能仅仅把电子看做遵循牛顿定律绕着原子核转的粒子了，而要把它看成波——弥散在原子核周围的波，就像管风琴音管里的声波一样。

　　这些波还拥有不同的态（state），不同的稳定态代表着原子的不同能级，就好像管风琴产生的不同的音调。不仅如此，这种“电子波”跟像水波这样的物质波又不一样。当海水的水波撞上礁石时，它会向四面八方散开，但电子撞上原子核之后，它仍旧只是一个电子，要么向这边，要么向那边，但不会分裂并同时向四面八方散开。马克斯·玻恩（Max Born）通过计算表明，电子的波是概率波，代表了电子出现的概率。电子可以去往任何位置，但它最可能出现的位置是波密度最大的位置。

　　于是，奇怪的事情来了：在量子力学领域，物理学家已经习惯用“概率”来描述现象，但概率难道不是体现了我们对研究对象了解得还不完全吗？在牛顿的理论中，大自然完全是决定论的，也就是说，如果你知道了太阳系所有物体的位置、速度和相互作用，理论上你可以算出任何时候它们各自在哪里。只有当你没有完全了解某些事情的时候，才会使用“概率”这一概念，就像你往地上扔一个骰子，你不知道它会有怎样的运动轨迹，也不知道它最终会是哪一面。但概率从未成为大自然的基本定律的一部分，而量子力学却大量地使用概率来描述现象，这就是一些声名卓著的科学家强烈反对量子力学的原因。