## 量子力学16：你眼中的现实和我眼中的现实

每个人观察世界的视角都是主观的。你周围所有的光信号中，只有一小部分能进入你的眼睛。你接收到的视觉信息中又只有一小部分能进入大脑的意识，让你对事情做出某种解读。每个人的视角不一样，看到的东西就不一样。面对同一个东西，我们就好像盲人摸象一样，各自有各自不同的看法。

同样的半瓶水，乐观主义者认为水还有半瓶是满的，悲观主义者认为水已经空了一半。同样一幅画，你要是认为画中人物的脸很小，她就是一位年轻少妇；你要是认为画中人有个大鼻子和尖下巴，她就是一位老太太。两条裙子其实是一样的，打上不同的光有些人就会认为它们一个是蓝色一个是黄色。

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观察结果，取决于观察者。

但是请注意，以上这些都是心理现象，可不是物理现象。我们对一件事物的解读不一样，那都是我们自己的原因：那个事物就在那里，它的那些“硬事实”，是你怎么解读也不会说错的。树上明明站着两只鸟，谁看也不能说有三只，这没问题吧？正因为我们必须对“硬事实”达成一致，我们才相信这个世界是个*客观*实在，而不是每个人各自幻想出来的东西。

在量子力学里，观测结果往往受到观测行为的影响。电子本来没有自旋，是物理学家的观测给它强行赋予了一个确定的自旋。我们知道这个结果是随机的：物理学家本人不能决定观测出来的自旋是向上还是向下……但是到目前为止，我们说的观测都是对不同事件的观测。我在这一秒钟观测的是这个电子，那么下一秒你不管是观测一个新的电子、还是把这个电子再观测一遍，那都是*另一个*事件。

如果两个物理学家观测*同一个*物理事件，他们的观测结果必须是一致的……这总没问题吧？这样那个事件才算是客观实在，对吧？

不一定。量子力学会让你怀疑，到底有没有“客观实在”。

我们上一讲说了，观测会让波函数“坍缩”：这个粒子本来具有“波动性”，是一个“既……又……”的叠加态，现在因为你摆上仪器非得观测它到底是从哪条路走的，或者它的自旋到底是向上还是向下，它不得不变成了“或者……或者……”的“粒子性”，它的波函数坍缩了。

在数学上，这一切都是非常简单的。比如对于一个没有被做路径观测、同时走过两条缝的电子，我们可以把它的波函数写成 [1] ：

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我们管这个叫“波函数”是一个历史习惯，严格地说应该叫“态函数”，它描写了从左边走和从右边走的量子叠加态。而不管你用什么方法观测，只要你探知到了电子的路径，它的波函数就会变成——

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或者

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这二者之一，具体变成哪个，完全是随机的。这就是波函数的坍缩。

坍缩前，波函数是两个状态的叠加；坍缩后，它随机地变成了其中一个状态。描写自旋、位置、动量，所有物理量的波函数都是这样的叠加 [2]，这就是波函数的本质。

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好，现在我们的问题是，从观测前那个形式，到观测后这个形式，波函数的变化是如何发生的呢？大家都知道是观测让波函数坍缩，但是在底层的物理机制上，观测到底是怎么让波函数坍缩的，这是一个大问题。

玻尔基本上回避了这个问题。他说测量仪器都是宏观的东西，测量相当于宏观破坏了微观。我感觉他这个说法就如同说你用针刺破了一个肥皂泡，说着好像很自然，但是经不住细想：那个针头和肥皂泡表面的接触过程到底是怎样的呢？

冯·诺依曼拒绝接受玻尔这个说法。冯·诺依曼说测量仪器也是用原子组成的啊，理论上说它也应该遵守量子力学定律啊。可是我们量子力学已知的所有定律里，根本就没有一条，说波函数是怎么坍缩的。我完全赞同冯·诺依曼这个质疑，这里面还有个考虑是单纯用数学方程其实无法描写波函数坍缩 —— 坍缩是绝对随机的，可是数学方程的运算没有这样的随机。我们大概可以说，波函数坍缩好像需要数学之外的一个什么东西来触发。

但是接下来冯·诺依曼有个大胆的猜测，我们可就很难接受了。冯·诺依曼说是“人的意识”让波函数坍缩。这可能是因为测量都需要有人参与，而人的意识是唯一有可能不受数学方程限制的东西。关于量子力学与人的意识的关系这是一个引发了无数争论的大题目，我不太相信这个说法，但是咱们这里先不细讲。你现在只要知道波函数坍缩这个问题有多难就行了 —— 物理学家都被逼到要把意识这么神秘的东西搬出来的程度了。

我这里要说的是，为量子力学的数学表述做出过重大贡献的尤金·维格纳（Eugene Wigner），也支持这个“意识说”，而且他提出了一个悖论。

维格纳出生于 1902 年，是属于量子力学上半场的物理学家，他想问题想得很深，而且善于提出好问题。维格纳曾经提出，为什么我们生活的这个自然世界里的事儿，如此精准地符合数学呢？你会用到无比复杂精巧的数学公式，但是那些公式真有用：这个宇宙凭什么听数学的呢？这是个奇迹。这个问题到现在哲学家仍然在争论。

1961 年，维格纳构思了一个关于人的意识与波函数坍缩的关系的思想实验，后世把这个实验叫做“维格纳的朋友”。

我们设想有一个光子，它处于“水平偏振”和“垂直偏振”这两种状态的量子叠加态。“偏振”这个概念跟自旋有点像，对光子来说很容易测量。你在电影院看3D电影用的就是偏振原理。两个眼镜片一个只能接收水平偏振光一个只能接收垂直偏振光，这是两种不相容的状态，所以你的左右眼才能看到不一样的图像，在大脑中合成出来一个立体感。我们假设维格纳的朋友在一个实验室里对这个光子的偏振态进行了测量。那我们知道，这个测量行为必定会让光子的波函数坍缩，现在光子或者是垂直偏振，或者是水平偏振。

我们再假设，维格纳本人，在那个实验室外面目睹了他朋友做的事情。维格纳知道他的朋友做出了观测，只是不知道观测的结果。

好，那请问，现在那个光子是个什么状态。维格纳和维格纳的朋友对此有不同的看法。

在维格纳的朋友看来，我实验已经做完了，我已经知道光子的偏振是……比如说垂直的吧，它的波函数已经坍缩了，它现在就是一个垂直偏振的光子：

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但是在维格纳看来，既然我还不知道观测的结果，根据量子力学，我就必须假设光子波函数没有坍缩。不过考虑到我朋友做了实验，他跟光子发生了相互作用，我应该把朋友也算作这个量子事件的一部分，所以波函数应该写成下面这个样子：

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你看，光子现在到底是个确定的状态还是处于某种叠加态，它的波函数到底坍缩了没有，维格纳和维格纳的朋友有不同的看法。而且他们的看法都是对的。那光子的状态还是个客观现实吗？

你可能马上想到，维格纳可以做实验验证啊？他找个干涉仪，看看光子能不能自己跟自己干涉，这不就行了吗？这不行。维格纳眼中的光子并不是简单地处于“水平偏振”和“垂直偏振”这两个叠加态，而是考虑到他朋友的观测、把他朋友也看做量子系统的一部分，的叠加态。维格纳必须把他朋友带上跟光子一起做个干涉实验才行。但是维格纳的朋友毕竟是个宏观物体，他的“波动性”实在太小了，这个干涉效应没有办法观测到。

而维格纳如果只是再测一遍光子的偏振情况，他只会得到跟朋友一样的结果 —— 对此，维格纳的朋友会说那是因为之前朋友在实验室里的观测就已经让光子的波函数坍缩了；而维格纳会说那是因为自己这一次观测，让光子跟朋友的总波函数一起坍缩了。他们对事件的解释不一样，可是你无法判断谁说的对。

“维格纳的朋友”这个思想实验里说的客观现实冲突，似乎是无法证明的……

但是 2019 年，英国赫瑞瓦特大学的几个物理学家，用光子代替维格纳和维格纳的朋友，真的做成了这个实验 [3]。实验设计非常复杂我们没法细说，简单地说，是用四个光子代表两对物理学家 —— 爱丽丝和爱丽丝的朋友、鲍勃和鲍勃的朋友 —— 去测量另外一对有纠缠关系的光子。爱丽丝的朋友和鲍勃的朋友各自在一个实验室里测量一个光子的偏振情况，爱丽丝和鲍勃则在两个实验室外面做测量 ——

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爱丽丝可以选择直接测量那个光子的偏振，这相当于是知道了她的朋友的测量；她也可以选择把朋友和那个光子放在一起测量，这相当于是对自己心目中那个更大的波函数进行观测……如此这般这般如此，再考虑到贝尔不等式那样的协调效应，剪断截说，最后人类物理学家再统计一下所有这些测量的概率，发现那些概率的行为并不一致。

这就相当于证实了，维格纳和他的朋友，确实观测到了不一样的现实 [4]。当然这个实验跟维格纳原始的设想已经不一样了，这里面维格纳和维格纳的朋友不但没有意识，而且还都成了光子。我们如果保守一点，大概不应该从这个实验中得出“客观实在不存在”这样的结论。但是不论如何，如果你非得相信波函数是个物理实在，那么“维格纳的朋友”这个思想实验告诉你，两个观测者对同一件事可以有不同的观测结果。量子力学至少给了我们去质疑“客观现实”的动力。

这个动力会吸引人使用“平行宇宙”这样的观念去解释量子力学，咱们后面再说。现在我们还有一个问题需要解决：薛定谔的猫。

### 💡 精华要点
- 如果你非得相信波函数是个物理实在，那么“维格纳的朋友”这个思想实验告诉你，两个观测者对同一件事可以有不同的观测结果。量子力学至少给了我们去质疑“客观现实”的动力。

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