什么叫测量？如何理解测量的本质？只有人才能测量吗？
撰文 | 张天蓉
我们首先以电子双缝实验为例，回顾一下量子力学中 “诡异” 的测量现象。
图1. 双缝实验
双缝实验中，像发射子弹一样，让电子一个一个地射到“双缝”附近。从经典观点看，电子是一个一个过去的，不可能互相干涉。但实验结果却是：屏幕上产生了干涉条纹。这表明电子具有波粒二象性，既是粒子又是波。电子的波粒二象性颇为奇特，而更为诡异的行为是表现在对电子的行为进行“测量”之时！
电子双缝实验中的干涉到底是如何发生的？为了探索这点，物理学家在两个狭缝口放上两个粒子探测器，企图测量每个电子到底走了那条缝？如何形成了干涉条纹？然而，诡异的事情发生了！无数次的实验证实：一旦想要用任何方法观察电子到底是通过了哪条狭缝，干涉条纹便立即消失了，波粒二象性似乎不见了，实验给出与经典子弹实验一样的结果！
图2. 测量影响结果
刚才说到“用任何方法观察电子”，括号中这句话表达的意思就是“测量”，或者称为“量子测量”。量子测量有别于经典宏观测量，主要是指在量子测量中，测量所涉及的仪器、方法和手段，一定会与微观系统相互作用，互相形成纠缠态，从而影响测量结果。而在宏观世界中进行的经典测量，就可以做到环境与被测系统独立，或者说改善实验条件，可以使得互相之间的干涉很小，基本能够忽略不计。因而，经典测量基本可以做到不影响测量结果。
量子测量则有所不同，根据量子理论，微观世界的电子，通常处于一种不确定的、经典物理不能描述的叠加态：既是此，又是彼。比如说，被测量之前的电子到达狭缝时，处于某种（位置的）叠加态：既在狭缝位置a，又在狭缝位置b。之后，“每个电子同时穿过两条狭缝！”，产生了干涉现象。
但是，一旦在中途对电子进行测量，量子系统便发生“波函数坍塌”，也就是说，原来表示叠加态不确定性的波函数塌缩到一个固定的本征态。因此，波函数坍塌改变了量子系统，使其不再是原来的量子系统。量子叠加态一经测量，就按照一定的概率规则，回到了经典世界。
这种解释带来很多问题。所谓波函数塌缩，与演化是迥然不同的过程，演化遵循薛定谔方程，而波函数塌缩是随机的、不可逆的，没有适当的方程来描述。（后来有另一种说法“退相干”，也并不能完全令人满意，在此不表）。并且，至今也不清楚塌缩的内在机制究竟是什么。是什么触动了波函数的坍缩？是“观测”吗？人们经常说到“观测”，即观察加测量，但却没有给它下一个精确的定义。什么样的行为算是一次“观测”？仅仅仪器与粒子的相互作用，似乎还不能构成“观测”。那么，如何理解观测（测量）的本质？谁才能测量？只有“人”才能测量吗？猫能不能测量？计算机呢？机器人呢？测量和未测量的界限在哪里？
例如，月亮高高地挂在天上，用眼睛望它一眼，知道它在那儿，也就算作是一种测量。按照经典物理的观念，主观和客观是分开的。月亮客观存在于地球之外，不管我们主观意愿“看”还是“不看”它，它都在那儿。
然而，量子世界中不是如此，未“测量”之前，电子位置不确定，所以谈论“电子位置”没有意义。只有测量，才赋予电子以确切的位置。这句话似乎就是说：电子的客观存在性，是以测量为前提的，所以，反对派就问：难道月亮只有在我们回头望的时候才存在吗？
主观vs客观
测量，是人类有目的而进行的活动。要测量什么东西，涉及到人的主观愿望。主观和客观也是长期有所争论的哲学话题。主观指人的意识，客观指不依赖于意识的物质世界。量子力学对测量的解释，使人们又回到哲学上关于主观和客观的困惑中。
以上诠释中电子的行为，也等同于公众皆知的“薛定谔的猫”：打开盖子前，猫是既死又活，只有揭开盖子后观测，猫之死活状态方能确定。那么，有人又问：猫自己不是也有感觉吗？虽然人没有打开盖子“看”，猫自己应该知道自己的“死活”啊！
此外，我们还可以返回来思考爱因斯坦提出的epr佯谬。因为波函数塌缩是在同一时刻发生在所有地方，对量子纠缠中的两个粒子，导致了爱因斯坦的“幽灵般超距作用”之困惑。总而言之，看起来，对量子力学的诠释违反了确定性、实在性和局域性。经典物理学从来认为，物理学的研究对象是独立于“观测手段”存在的客观世界，而量子力学中的测量却将观测者的主观因素掺和到客观世界中，两者似乎无法分割。
测量中主观客观的关系也相关于概率的“主观客观”性。对概率通常也有两种极端的解释：频率派和贝叶斯派。频率派强调概率的客观性，一般用随机事件发生的频率之极限来描述概率；贝叶斯派则将对不确定性的主观置信度作为概率的一种解释，并认为：根据新的信息，可以通过贝叶斯公式不断地导出或者更新现有的置信度。贝叶斯派的主观概率思想与量子力学的正统诠释在某些方面有异曲同工之妙，因此而有人提出量子贝叶斯模型，也许能为量子力学的诠释提供一种新的视角[1-2]。对此我们不予深究，感兴趣的读者可参考笔者的另一篇文章[3]。
物理世界是客观存在的，而解决问题的科学方法却总是人为的、主观的。回到前面说的测量过程，有一派观点（例如，冯诺依曼）认为，人类意识的参与才是波函数坍缩的原因。那么，究竟什么才是“意识”？意识是独立于物质的吗？意识可以存在于低等动物身上吗？可以存在于机器中吗？这带来的种种问题，比波函数塌缩的问题还要多，而且至今无解。
但是，看起来，因量子力学测量而引发的，人的主观意识与物质世界的关系，是一个人们总想回避但却终究回避不了的事情，就像哲学家们争论了两千年以上的自由意志问题。人类有关自由意志的思考，由来已久，但科学如何介入？欢迎关注下周推送。
往期回顾
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参考资料
[1] c. m.caves, c. a. fuchs and r. schack, “quantum probabilities as bayesianprobabilities,” phys. rev. a65, 022305 (2002).
[2] hans christianvon baeyer，qbism: the future of quantum physics，harvarduniversity press，10/3/2016。
[3] 概率之本质—从主观概率到量子贝叶斯｜张天蓉专栏，《知识分子》微信公众号：the-intellectual，2017年7月
文章头图及封面图片来源：christoph hohmann, nanosystems initiative munich (nim)
