按照量子力学,微观粒子没有确定的状态,它们可以同时处于多个位置,同时以不同的速度运动。然而,我们眼中的宏观世界却没有这样的怪异现象。现实真的被分成了两个截然不同的世界吗?量子和经典的边界在哪里?前者又是如何向后者转变的?为了解答这些问题,物理学家设计了各种精巧的实验,甚至打算把一只水熊送入量子世界,让它处于某种叠加态。
西蒙·格勒布拉赫尔(Simon Gröblacher)的大部分作品都是肉眼看不到的。在荷兰代尔夫特理工大学的实验室里,他制造的一个机械装置只有几百万分之一米长,比一个细菌大不了多少。这个装置的厚度是250纳米,大约是一张纸厚度的千分之一。毫无疑问,格勒布拉赫尔还可以继续缩小他的设计,但他有一个不同的目标:他想把装置放大,而不是缩小。
通过研究这类尺度不是那么大的系统,格勒布拉赫尔希望解决一个非同寻常的问题:一个宏观物体可以同时处在两个地方吗?这个看似不可能的状况,对原子、光子和所有其他微观粒子来说其实是很正常的。根据量子理论的离奇定律,现实在最基本的层次上是违背我们的常识性假设的:至少在没有对它们进行观察的时候,粒子没有固定的位置、能量或任何其他确定的性质。
但是,由于某些物理学家还未理解的原因,我们看到的现实是不同的。我们的世界——甚至我们无法直接观察到的部分,看起来显然是非量子的。这就产生了一个谜:如果一切都建立在具有量子不确定性的物质和能量之上,为什么我们无法亲身体验到量子奇异性呢?量子世界的尽头在哪?现实是否存在一道裂痕,有一个让量子效应消失的尺度?或者说量子力学无处不在,只是我们在某种程度上忽视了它?
尽管存在若干悖论,量子力学仍是有史以来最为强大和严谨的科学理论。这一理论的预言与实验结果的符合程度高得匪夷所思,在某些情况下准确度甚至在万亿分之一以内。量子力学改变了我们对原子结构的理解,从而也改变了从生物学到天体物理学等等,科学的方方面面。然而,这个理论有一个明显的缺点,普林斯顿高等研究院的理论物理学家斯蒂芬·L·阿德勒(Stephen L. Adler)说:“在量子力学中,事情不会发生。”
阿德勒隐晦的评论,针对的是量子理论基本方程对现实本质的解释,或者说,这种解释的无力之处。这些被称为波函数的方程可以计算物体处于不同状态中的概率。在牛顿物理框架下,苹果、行星以及一切事物都总是具有明确的性质,与之不同的是,量子物理在本质上是概率性的。从某种意义上说,波函数所描述的粒子,甚至不能说是完全存在的;它们没有固定的位置、速度或能量,只有概率。
在荷兰的代尔夫特市,格勒布拉赫尔向来访者展示了一个他和同事制造的“真的很大”的东西——一块拴在硅芯片上、毫米大小的薄膜,用肉眼勉强能看见。靠近观察,这张膜就像一个微型蹦床。它是由氮化硅制成的,后者是一种耐用的陶瓷材料,也用在航天飞机的发动机轴承上。膜的中间还放置了一个高反射率的镜子。芯片上,一个部件的一次晃动可以使膜振动数分钟。
研究人员希望最终能将活的生物放在膜上,然后让膜和置于其上的乘客一起进入量子叠加态。在进军量子世界的计划中,头号候选者是一种八条腿的、被称为缓步动物的微小生物,它们也被称为水熊。“它们是非常神奇的生物,” 格勒布拉赫尔说,“任凭你冷冻它们,或是加热它们,甚至是把它们放在真空中,它们都能活着。”
如果CSL是真实的,测量和观察就不会对坍缩有任何影响。在任何测量中,给定的粒子和用于记录它的设备都会成为巨大量子系统的一部分,这个系统会非常迅速地坍缩。尽管粒子从量子叠加态到一个确定位置的转变似乎是在测量过程中发生的,而事实上,早在测量发生之前,粒子通过与测量设备相互作用就已经完成了这种转变。
CSL等模型只是企图统一这两个尺度的初步尝试。虽然它们并非完全成熟的理论,但它们最终可能帮助物理学家建立比量子力学更全面的描述现实的模型。“我的观点是,量子力学需要做一些修正,” 阿德勒说,“我不明白这为什么是个问题。牛顿力学曾在长达200年的时间中一直被认为是精确的,但它并不是。大多数理论都有一个成立范围,在这个范围之外它们就失效了。这时,我们就需要一个更广泛的理论了。”