作者：錢維宏，北京大學(xué)物理學(xué)院

量子力學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)中最成功的實(shí)用性理論之一，它不僅奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，更深刻影響著我們的日常生活。從計(jì)算機(jī)芯片到醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，從激光技術(shù)到核能發(fā)電，量子力學(xué)的應(yīng)用無處不在。然而，盡管量子力學(xué)以統(tǒng)計(jì)形式為核心的數(shù)學(xué)公式與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證都無比精確，它所描述的微觀世界卻充滿了神秘與悖論。正如愛因斯坦所言：“上帝不擲骰子”，但他也承認(rèn)，量子力學(xué)背后隱藏的現(xiàn)實(shí)讓他“至死不渝地感到不安”。

2025年7月31日，《自然》雜志發(fā)表了一篇題為《量子力學(xué)對現(xiàn)實(shí)有何說法？首次大規(guī)模物理學(xué)家調(diào)查發(fā)現(xiàn)解釋存在沖突》的文章，揭示了物理學(xué)界對量子力學(xué)本質(zhì)的分歧仍然巨大【1】。文章指出，盡管量子力學(xué)已誕生百年，物理學(xué)家們?nèi)詿o法就其背后物理現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)性動(dòng)力學(xué)描述達(dá)成一致。這場爭論不僅涉及科學(xué)問題，更觸及哲學(xué)與世界觀的層面?，F(xiàn)在，我們就來探究量子力學(xué)的神秘之處。

一、量子力學(xué)的起源與發(fā)展

（一）量子力學(xué)的誕生

量子力學(xué)的誕生可追溯至1900年，當(dāng)時(shí)德國物理學(xué)家馬克斯?普朗克為解決“黑體輻射”難題，提出了“能量量子化”假說。這一假說認(rèn)為能量并非連續(xù)存在，而是以離散的“量子”形式傳遞，成功破解了經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的黑體輻射困境，標(biāo)志著量子論的正式誕生。隨后，1905年愛因斯坦提出“光量子”理論，完美解釋了光電效應(yīng)；1913年尼爾斯?玻爾提出原子模型，結(jié)合量子化概念闡釋了氫原子光譜的規(guī)律。這些早期理論為量子力學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）量子力學(xué)的數(shù)學(xué)體系

1925-1926年，維爾納?海森堡與埃爾溫?薛定諤分別建立了量子力學(xué)的數(shù)學(xué)體系——矩陣力學(xué)與波動(dòng)力學(xué)，后來兩者被證明等價(jià)。1926年，馬克斯?玻恩提出波函數(shù)的概率解釋，指出波函數(shù)的平方代表粒子出現(xiàn)的概率。這些理論的提出，標(biāo)志著量子力學(xué)邁入成熟階段。

（三）量子力學(xué)的獨(dú)特性質(zhì)

量子力學(xué)揭示了微觀粒子（如電子、光子）具有波粒二象性、不確定性、疊加態(tài)等獨(dú)特性質(zhì)。這些性質(zhì)與描述宏觀物體運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典力學(xué)截然不同，徹底重塑了我們對物理世界的傳統(tǒng)認(rèn)知。

二、量子力學(xué)的三大主流解釋

（一）哥本哈根解釋：觀測決定現(xiàn)實(shí)

哥本哈根解釋是量子力學(xué)中最經(jīng)典、最主流的解釋之一，由尼爾斯?玻爾和維爾納?海森堡于20世紀(jì)20年代提出。其核心觀點(diǎn)是：觀測之前，量子系統(tǒng)處于“疊加態(tài)”，即同時(shí)處于所有可能的狀態(tài)中；只有當(dāng)我們進(jìn)行觀測時(shí)，系統(tǒng)的波函數(shù)才會(huì)“坍縮”，從而確定一個(gè)具體狀態(tài)。換句話說，觀測行為本身塑造了現(xiàn)實(shí)。

哥本哈根解釋的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)用性與簡潔性，為量子力學(xué)計(jì)算提供了清晰框架，使科學(xué)家能準(zhǔn)確預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但它也引發(fā)諸多爭議：例如，它似乎暗示現(xiàn)實(shí)具有主觀性——若沒有觀測者，現(xiàn)實(shí)是否存在？此外，它無法解釋“測量問題”：觀測行為究竟如何觸發(fā)波函數(shù)坍縮？

（二）多世界解釋：平行宇宙的誕生

多世界解釋是量子力學(xué)中最激進(jìn)的解釋之一，由美國物理學(xué)家休?埃弗雷特于1957年提出。它認(rèn)為波函數(shù)從未真正坍縮，而是每次觀測時(shí)宇宙都會(huì)分裂出多個(gè)平行分支，每個(gè)分支中所有可能的結(jié)果都會(huì)實(shí)現(xiàn)。

例如，在一個(gè)分支宇宙中，你向左走；在另一個(gè)分支中，你向右走。多世界解釋的優(yōu)點(diǎn)是無需引入波函數(shù)坍縮的概念。但它也面臨挑戰(zhàn)：首先，它要求我們接受極其復(fù)雜的宇宙觀——無數(shù)平行宇宙的存在；其次，這些平行宇宙無法直接相互作用，難以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（三）認(rèn)識論解釋：信息即現(xiàn)實(shí)

認(rèn)識論解釋是一種較新興的觀點(diǎn)，認(rèn)為量子力學(xué)描述的并非客觀現(xiàn)實(shí)，而是我們對現(xiàn)實(shí)的認(rèn)知與信息。波函數(shù)不代表現(xiàn)實(shí)本身，而是我們對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主觀信念。這種觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)信息的重要性，認(rèn)為量子力學(xué)的核心在于信息的傳遞與處理，而非物理實(shí)體本身。

認(rèn)識論解釋的優(yōu)點(diǎn)在于謹(jǐn)慎性，它避開對客觀現(xiàn)實(shí)的假設(shè)，聚焦于我們能直接觀測和理解的信息。但它也引發(fā)哲學(xué)問題：若現(xiàn)實(shí)僅是我們的認(rèn)知，那么客觀現(xiàn)實(shí)是否存在？這幾乎已成為一個(gè)哲學(xué)命題。

三、《自然》雜志的調(diào)查：分歧的現(xiàn)狀

《自然》雜志對15000多名近期發(fā)表涉及量子力學(xué)論文的研究人員調(diào)查揭示，物理學(xué)界對量子力學(xué)本質(zhì)的分歧仍十分顯著。結(jié)果顯示，36%的物理學(xué)家傾向于哥本哈根解釋，15%支持多世界解釋，約17%認(rèn)同認(rèn)識論解釋；此外，相當(dāng)一部分物理學(xué)家支持其他解釋，或認(rèn)為現(xiàn)有解釋均不夠完善。

調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)家對具體問題的看法也存在明顯分歧。例如，36%的受訪者認(rèn)為波函數(shù)代表某種真實(shí)事物，47%認(rèn)為它只是有用的工具，8%認(rèn)為它描述的是主觀信念；45%認(rèn)為量子世界與經(jīng)典世界存在邊界，45%認(rèn)為不存在，10%表示不確定。

這些數(shù)據(jù)清晰顯示，盡管量子力學(xué)已誕生百年，物理學(xué)界對其本質(zhì)的理解仍存在巨大分歧。這種分歧不僅涉及科學(xué)問題，更觸及哲學(xué)與世界觀的層面。

四、正交碰撞理論：新的視角

正交碰撞理論為理解量子力學(xué)提供了新視角，其核心觀點(diǎn)是：量子系統(tǒng)的演化可視為多個(gè)量子態(tài)之間的正交碰撞與相互作用。這些量子態(tài)可看作量子系統(tǒng)的不同“側(cè)面”，它們在相互作用中反映出新舊量子世界的轉(zhuǎn)化。

（一）正交碰撞理論的基本概念

正交碰撞理論的核心是量子態(tài)正交碰撞的概念。在量子系統(tǒng)中，兩個(gè)處于不同態(tài)的粒子間可發(fā)生多角度碰撞，其中正交碰撞（90度角）后形成的新物態(tài)能量密度最大【2】。新物態(tài)中量子的能量更高，表現(xiàn)為每個(gè)粒子都處于加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，既具有徑向的膨脹力，也具有彎曲運(yùn)動(dòng)的向心力。其中，膨脹力對應(yīng)新宇宙仍在發(fā)生的加速膨脹，向心力則對應(yīng)類似地球等天體的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

以簡單的雙縫實(shí)驗(yàn)為例：在正交碰撞理論中，電子的波函數(shù)可看作單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)中膨脹力（直線加速運(yùn)動(dòng)）與向心力（曲線運(yùn)動(dòng)）的疊加。當(dāng)大量電子通過雙縫時(shí)，這些量子態(tài)中的粒子會(huì)發(fā)生碰撞與相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這種解釋既避開了波函數(shù)坍縮的神秘性，也無需引入多世界解釋中的平行宇宙，更為簡潔直觀。

（二）正交碰撞理論與量子力學(xué)的解釋

正交碰撞理論為理解量子力學(xué)本質(zhì)提供了新視角：它既避開了哥本哈根解釋中波函數(shù)坍縮的神秘性，也避開了多世界解釋中平行宇宙的復(fù)雜性。此外，它強(qiáng)調(diào)量子系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)性與相互作用，為理解量子力學(xué)本質(zhì)提供了新思路。

例如，哥本哈根解釋將波函數(shù)坍縮歸因于觀測行為，引發(fā)諸多哲學(xué)爭議；而在正交碰撞理論中，波函數(shù)的演化被視為量子態(tài)中粒子間的碰撞與能量傳播，這種解釋更顯自然與直觀，強(qiáng)調(diào)的是量子系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)相互作用，而非依賴觀測行為。

（三）正交碰撞理論的可實(shí)驗(yàn)性

正交碰撞理論的重要特點(diǎn)是可通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過設(shè)計(jì)特定實(shí)驗(yàn)，我們可觀察量子態(tài)中粒子間的碰撞與相互作用。例如，在量子隧穿實(shí)驗(yàn)中，正交碰撞理論可預(yù)測隧穿粒子概率的變化，這一預(yù)測可通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；此外，它還能解釋量子糾纏等現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為糾纏態(tài)的形成與演化提供新解釋。這些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證將為正交碰撞理論提供有力支撐。

五、量子力學(xué)的本質(zhì)：從碰撞到新物態(tài)

（一）量子力學(xué)的本質(zhì)是碰撞

量子力學(xué)的本質(zhì)或許是描述粒子間相互作用，即加速碰撞的過程與結(jié)果。碰撞描述了粒子在相互作用前后的狀態(tài)變化，以及質(zhì)量向能量的轉(zhuǎn)化【3】。量子力學(xué)的廣泛應(yīng)用正是基于粒子間的碰撞結(jié)果，而粒子加速正交碰撞是其中的特例，能形成最大的能量密度。例如，電子束通過雙縫時(shí)，粒子因彎曲運(yùn)動(dòng)像波一樣產(chǎn)生干涉條紋，而粒子因徑向加速運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)“落點(diǎn)”特征——這一現(xiàn)象打破了經(jīng)典物理學(xué)中“粒子”與“波”的絕對界限。

（二）疊加態(tài)與觀測坍縮

著名的“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)用宏觀場景比喻疊加態(tài)：未打開盒子時(shí)，貓?zhí)幱凇吧迸c“死”的疊加態(tài)；觀測后狀態(tài)才確定（即“坍縮”）。這類似于單擺的動(dòng)能與勢能——存在兩個(gè)極端狀態(tài)，而某一瞬時(shí)則是兩種狀態(tài)的疊加。打開盒子或進(jìn)行測量，相當(dāng)于外力與量子（或單擺）發(fā)生碰撞，其結(jié)果便形成了新狀態(tài)下的物態(tài)（即所謂的“坍縮”），此時(shí)新狀態(tài)中粒子的能量與動(dòng)量已不同于之前的量子狀態(tài)。

（三）量子糾纏與新物態(tài)

兩個(gè)或多個(gè)粒子相互作用后，其新量子狀態(tài)會(huì)“糾纏”在一起，無法單獨(dú)描述每個(gè)新粒子的狀態(tài)，只能描述整體。從正交碰撞理論來看，兩個(gè)或多股粒子相互作用（即碰撞）后，會(huì)形成新的量子態(tài)。新舊量子態(tài)的質(zhì)能總量相等，但新量子態(tài)中單個(gè)粒子的物理特征無法單獨(dú)描述。碰撞后，新粒子無論相距多遠(yuǎn)，都具有新狀態(tài)下的共同特性（如新粒子具有兩個(gè)分量力的加速度），這便是愛因斯坦口中“幽靈般的超距作用”的表象。

六、量子力學(xué)的不完備性與隱變量

（一）量子力學(xué)的不完備性

量子力學(xué)的不完備性在于它缺乏對粒子正交碰撞的理論解釋。不同加速度（能量）的粒子間碰撞形成的新物態(tài)，其能量密度和新粒子的加速度均與碰撞前的不同【4】，即新粒子的光速與碰撞前舊粒子的光速不同。

測量一個(gè)粒子，相當(dāng)于測量儀器上的粒子與被測量粒子發(fā)生碰撞，碰撞結(jié)果會(huì)形成新粒子。新粒子間具有相同特征，且其瞬時(shí)速度必然超過碰撞前粒子的速度（即新粒子超光速）。這種碰撞前后的兩種狀態(tài)與現(xiàn)象是客觀存在的，經(jīng)典物理學(xué)無法解釋，而現(xiàn)有量子力學(xué)也僅解釋了部分現(xiàn)象，未揭示其背后的物理本質(zhì)。

（二）愛因斯坦的隱變量理論

愛因斯坦將量子糾纏中的關(guān)聯(lián)現(xiàn)象稱為“幽靈般的超距作用”，本質(zhì)上是對量子力學(xué)“非局域性”的質(zhì)疑。這種質(zhì)疑并非否定現(xiàn)象本身，而是源于他對物理學(xué)基本邏輯的堅(jiān)守，以及對量子力學(xué)“完備性”的深刻懷疑。

愛因斯坦尊重客觀事實(shí)，他通過坐標(biāo)變換的數(shù)學(xué)推導(dǎo)出無動(dòng)力描述的質(zhì)量與能量相互轉(zhuǎn)化（狹義相對論），但正交碰撞理論得出的是單向轉(zhuǎn)化【3】，他又用幾何數(shù)學(xué)方法將引力解釋為時(shí)空彎曲，發(fā)展出廣義相對論【4，5】。盡管他的探索仍有深化空間，但他始終不相信無原則的超距作用，也不認(rèn)可違背因果邏輯的理論。

愛因斯坦得出結(jié)論：量子力學(xué)沒有完整描述物理實(shí)在（現(xiàn)象），必然存在尚未發(fā)現(xiàn)的“隱變量”。而這一“隱變量”或許就是粒子正交碰撞產(chǎn)生的新物態(tài)——當(dāng)一個(gè)質(zhì)量力對另一個(gè)粒子進(jìn)行測量時(shí)，粒子間會(huì)發(fā)生碰撞，形成新物態(tài)，也就是所謂的“坍縮”現(xiàn)象。

七、量子力學(xué)的未來：探索與希望

盡管量子力學(xué)已誕生百年，物理學(xué)界對其本質(zhì)的理解仍存在巨大分歧。但正是這種分歧推動(dòng)著科學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展。正交碰撞理論為理解量子力學(xué)本質(zhì)提供了新視角，它既避開了哥本哈根解釋中波函數(shù)坍縮的神秘性，也避開了多世界解釋中平行宇宙的復(fù)雜性，更強(qiáng)調(diào)量子系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)性與相互作用，為理解量子力學(xué)本質(zhì)提供了新思路。

（一）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與理論完善

未來，通過設(shè)計(jì)特定實(shí)驗(yàn)，我們有望進(jìn)一步驗(yàn)證正交碰撞理論的合理性。例如，在量子隧穿實(shí)驗(yàn)中，該理論可預(yù)測隧穿粒子概率的變化，這一預(yù)測可通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；在量子糾纏實(shí)驗(yàn)中，它可解釋糾纏態(tài)的形成與演化。這些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證將為正交碰撞理論提供有力支持。

（二）量子技術(shù)的發(fā)展

正交碰撞理論不僅為理解量子力學(xué)本質(zhì)提供了新視角，還對量子技術(shù)發(fā)展具有重要意義。例如，在量子計(jì)算中，它可為量子比特的演化提供新解釋，優(yōu)化量子算法設(shè)計(jì)；在量子通信中，它可為量子態(tài)的傳輸與測量提供新思路，提升通信的安全性與效率。

（三）回答量子引力的問題

正交碰撞理論通過微觀粒子的正交碰撞機(jī)制，嘗試用量子力學(xué)解釋引力本質(zhì)。該理論認(rèn)為，當(dāng)兩個(gè)水平質(zhì)量力以90度角碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生新的垂直矢量，其能量密度與碰撞角正弦值成正比。這種碰撞不僅能解釋宇宙膨脹（引力本質(zhì)是大爆炸后的膨脹力）【6】，且這種膨脹力也是量子能量的表現(xiàn)——因此，量子引力的本質(zhì)或許是量子膨脹力。

（四）哲學(xué)與世界觀的思考

量子力學(xué)的爭論不僅涉及科學(xué)問題，更觸及哲學(xué)與世界觀的層面。正交碰撞理論提供了新框架，幫助我們理解量子力學(xué)本質(zhì)，它強(qiáng)調(diào)量子系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)性與相互作用，而非依賴觀測行為。這種新視角將助力我們更深入理解微觀世界的本質(zhì)，推動(dòng)科學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展。

八、結(jié)語：量子力學(xué)的未解之謎

量子力學(xué)誕生已百年，但它所描述的微觀世界仍充滿神秘與悖論。盡管物理學(xué)界對其本質(zhì)存在巨大分歧，但這種分歧也推動(dòng)著科學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展。正如《自然》雜志的調(diào)查所揭示的，不同解釋為我們理解量子力學(xué)本質(zhì)從不同視角提供了不同片段。

正交碰撞理論為理解量子力學(xué)本質(zhì)提供了新視角，它既避開了哥本哈根解釋中波函數(shù)坍縮的神秘性，也避開了多世界解釋中平行宇宙的復(fù)雜性，更強(qiáng)調(diào)量子系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)性與相互作用，為理解量子力學(xué)本質(zhì)提供了新思路。

未來，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與理論完善，我們有望更深入理解量子力學(xué)的本質(zhì)；同時(shí)，量子技術(shù)的發(fā)展也將為我們的生活帶來更多便利與進(jìn)步。無論量子力學(xué)的本質(zhì)最終被揭示為何，它都將繼續(xù)激發(fā)我們對微觀世界的探索與思考。

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來源: 錢維宏