南科新知·「十萬個高科技為什麼」
擎科普之旗 燃科學之光
科技是國家強盛之基，創新是民族進步之魂。進入21世紀以來，全球科技創新進入空前密集活躍的時期，新一輪科技革命和產業變革正在重構全球創新版圖、重塑全球經濟結構。
南科大校長陳十一認為，為促進大眾科技認識的提升和科學精神的培養貢獻高校力量，南科大在這一方面必須有所作為，有所擔當。如今，在粵港澳大灣區的崛起帶來了打造世界級高校集群、推動灣區科技創新騰飛的時代背景下，南科大願以探路者的姿態，舉起創新科普文化、推動科技傳播的大旗，依託學校專才集聚的一流師資，全面專業的學科布局、國際領先的學術成果、深度融合的產學研體系等優勢資源，著力打造高科技知識科普平臺，普及科學知識、倡導科學方法、傳播科學思想、弘揚科學精神、點燃科學之光。
由南科大教授會牽頭，集結學校有志於科普事業和文化傳播的師生之力，依託南科大官網、官微和學生組織自媒體平臺，我們推出「十萬個高科技為什麼」系列科普報導。不同於中國青少年科普叢書《十萬個為什麼》，此系列更側重於面向中學生及以上的青年讀者和社會大眾，著力聚焦前沿科技領域，普及高科技知識，共享高科技力量，在全社會推動形成講科學、愛科學、學科學、用科學的氛圍。
隨著5G、雲計算、AI等技術的發展，高科技已經深入到生活和社會的方方面面。我們希望過「十萬個高科技為什麼」科普系列報導，連接科學與人文、過去與未來、精英與大眾、科技與應用，讓高科技知識「飛入尋常百姓家」；同時進一步推進南科大各學科領域之間、南科大與各高校之間、南科大與社會大眾之間的跨學科、跨院校、跨領域的文化交流與協同創新；並為培養具有科學精神與創新能力的時代新人提供思考和啟發。
——編者
"上帝擲骰子嗎？"
這個問題直擊整個量子力學理論框架的核心。
時至今日，即使一個對「量子力學」這一概念很陌生的年輕人，都或多或少對這句話、甚至對上世紀那場曠日持久的世紀論戰有所了解。在當時，那場論戰就是整個物理學界最大的談資。論戰雙方的領袖——愛因斯坦和玻爾——就是當時當仁不讓的學術「流量明星」。
想要深入理解這個問題的含義，我們需要先簡略回顧一下量子力學早期的發展歷史。1900年，為了解決黑體輻射疑難，德國物理學家普朗克提出了「能量子」模型。該模型通過把能量離散化，從理論上成功擬合出實驗黑體輻射曲線。彼時，愛因斯坦21歲，剛從大學畢業；玻爾才剛15歲，可能還在中學學習。27年後，在索爾維會議上，兩人成為物理經典派和量子派的領袖人物，帶領眾多才華橫溢的物理學家，開展最高規格的學術版「華山論劍」。
1927年的首屆索爾維會議
（此次會議主題是新興的量子力學。29名與會者中有17人獲得了諾貝爾獎。值得一提的是，直到今天索爾維會議還一直在舉辦）
1905年，愛因斯坦提出了「光量子」假說，通過把「本應該是一種電磁波」的光想像成一個個小的光微粒，成功解釋了光電效應。緊隨其後，玻爾在1913年提出了量子化的原子結構，成功解釋了氫原子的能級結構和光譜，獲得了當年的諾貝爾獎。帶著榮譽和獎金，丹麥人玻爾回到哥本哈根建立了研究所，培養了一批年輕人一同研究量子力學。很快，他的身邊很快就聚集了一批特立獨行、不懼權貴的年輕學者，諸如玻恩、海森堡、泡利等等，並共同創立了「哥本哈根學派」。思想的碰撞擦出激烈的火花，自由的學術氛圍是人類進步的核心要素。
哥本哈根學派在創立之初就開始從哲學層面上思考量子問題。光和電子時而像波、時而像粒子的「波粒二象性」到底意味著什麼？其本源是什麼？為什麼我們每次只能看到它是波或者粒子的「一面」？最終，藉助號稱「拉斯維加斯之光、大富翁之魂」——骰子的力量，量子力學的「哥本哈根詮釋」浮出水面：世間萬物其實是一個個的骰子組成的！
骰子，代表一種不確定性。我們每次擲骰子，得到的結果都是隨機的，這難道不應該和最講究精密與確定性的物理學格格不入嗎？哥本哈根學派的說法是什麼意思呢？
我們來看一個例子。電影《變形金剛》中的「大黃蜂」擁有機器人和小黃車兩種形態。每次女主角不去看它（物理學上，我們喜歡把「看」叫做「測量」）的時候，它可能處於兩種形態中的一種。但女主角一旦回頭「測量」了，就確定了大黃蜂此時到底是機器人還是小黃車。而有時，距離上次「測量」，剛過去幾秒鐘，再回頭的時候就會發現大黃蜂又變換了形態。哥本哈根學派對量子力學的「骰子假說」，學名叫「概率詮釋」，就是類似的思想。
哥本哈根學派的核心觀點除了上面的「概率詮釋」，還有「測量塌縮」。一個量子尺度的物體，它當前的狀態其實是幾種可能狀態的「概率疊加」；在未被測量之前，我們完全無法預測物體真正的狀態，這是一種真真正正的隨機性；一旦啟動了測量，物體就會「塌縮」成一種可能狀態，仿佛它一直就是那種狀態一樣。如果你想得到其他的可能狀態，你需要複製粘貼一大堆相同的物體，並對每一個分別測量，並通過統計得出這幾種可能狀態的概率。
雖然「概率詮釋」類似於「骰子實驗」，但量子力學更純粹。骰子的隨機性其實是偽隨機，「出千高手」完全可以掌控擲骰子的結果。量子力學則不同，這種隨機性是真隨機，沒有「老千」可以控制。
從日常的生活中，我們可以隨手寫出好多現實中「概率詮釋」違背常識的例子。比如說，太陽到底在不在天上呢？在回頭「測量」之前，你也許已經猜到了答案，一回頭「測量」，就可以看到太陽安靜地掛在天空中。太陽消失雖然是一種可能狀態，但它發生的概率極其小，我們一生應該都無緣碰見。這種前提下，太陽在不在天上和我們「測量」的時機似乎沒有什麼關係。但哥本哈根學派認為，回到微觀的量子世界，情況就完全不同了。再荒謬至極的事實，都可能在量子世界中出現。
愛因斯坦、薛丁格、德布羅意等組成的小團體對哥本哈根學派的「概率詮釋」非常不滿，他們認為這已經觸及到了人類最基本的哲學思想之一——實在論。「難道一個物體在不在那裡，或者是不是某種狀態不應該是一開始就決定好，或者說完全『實在』的嗎？它怎麼可能會是由觀測者所決定的？即使放在雲霧繚繞的量子世界，這種說法也是荒謬得無以復加！」於是，科學史上那段著名的論戰拉開了序幕，以愛因斯坦為首的經典派對哥本哈根學派發起了猛烈的攻擊，這其中的每次針鋒相對都閃耀著智慧甚至是藝術的花火。
比如下面這段二人的「喊話」：
愛因斯坦：玻爾，上帝不擲骰子！
玻爾：老愛，請不要告訴上帝應該怎麼做！
玻爾（左）與愛因斯坦（右）。兩人是學術上的對手，生活中的摯友。套用一句時尚的話，這是一對學術好「CP」
與愛因斯坦同一陣線的薛丁格，更是為了反駁「概率詮釋」學說而舉了一個他本人認為「荒誕至極」的例子：把一隻貓和一套通過放射性元素驅動的毒藥釋放系統一起放在盒子裡，而在打開盒子觀察前，貓同時處於「活著」和「被毒死了」雙重狀態的疊加態中。這便是鼎鼎大名的「薛丁格的貓」。不過薛丁格肯定沒有想到，自己提出的這個用來反駁哥本哈根學說荒謬、與現實格格不入的實驗，發展到今天，會被不少人誤認為是「概率詮釋」的一個經典論點。
距離那場世紀論戰已經過去了許多年，即使在今天，物理學界中最受普遍認可的哥本哈根學派「概率詮釋」學說也依然面對許多爭議。在浩瀚的量子物理學之謎面前，人類依舊是舉著微光的探索者，期待著下一個驚動學界的發現能夠揭開真理的神秘面紗。
作者簡介
魯大為，南方科技大學物理系副教授。研究領域：基於自旋磁共振體系的量子信息處理和相干控制；高量子比特系統的發展、表徵和操控；量子模擬、量子糾纏和量子態重構。學習經歷：2007年9月—2012年7月，中國科學技術大學微尺度國家實驗室，量子信息物理學，博士；2003年9月—2007年7月，中國科學技術大學少年班學院，光信息科學與技術，學士；工作經歷：2019年5月–至今，南方科技大學物理系，副教授；2017年7月–2019年5月，南方科技大學物理系，助理教授；2012年9月—2017年8月，加拿大滑鐵盧大學量子計算研究所，博士後研究員。
---南方科技大學---
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作者 | 魯大為
編輯 | 劉馨
主圖 | 丘妍
插畫 | 學生新聞社 楊菲純
排版 | 黃靜怡
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