王孟源：宣传中国的量子卫星，别把“哥本哈根解释”混进来

近日，观察者网就一些热点的基础科研问题，再次请教了哈佛大学物理学博士王孟源先生，这些问答已经刊登在王先生的博客上，我们也刊载如下：

观察者网：

1 今年中国大陆发射了量子卫星，量子力学的非定域性再次得到无漏洞验证，具体报导见《爱因斯坦和玻尔的世纪争论，在中国的“墨子号”量子卫星上得到检验》。爱因斯坦和玻尔的争论真的被解决了吗？

另外，一直致力于批评潘建伟实验的北京大学王国文最近又写了一篇文章，该如何评价？

2 在中国，玻尔的“哥本哈根解释”经过朱清时院士的阐述，变成了“物理学步入禅境”、“客观世界可能不存在”。清华大学的量子信息专家王向斌在为朱清时辩护的文章中说，在量子信息领域，经常要用到单次测量的结果，这会涉及到量子塌缩，并批评退相干即坍缩的说法。这种辩护该如何评价？

3 Wilczek提出的“时间晶体”的概念，近年来很火，但也有很多争议。似乎概念的含义本身也没有统一，许多说找到了“时间晶体”的实验，算不算王先生所说的迎合热点，追救护车？

4 上次我们就杨振宁投稿国际期刊遭拒，后在中国期刊顺利发表的事情采访了你，刊出后引起了许多读者讨论，你还有什么要补充的吗？

王孟源：

1

首先，你提到的那篇有关“量子卫星”的文章，引用自《墨子沙龙》（大概源自墨子卫星的团队），内容是完全错误的。

量子力学是量子力学，哥本哈根解释是哥本哈根解释；两者是独立的理论，甚至不在同一个学科里：前者是实验可以验证的，所以是物理，后者则是对前者的逻辑解释，属于物理数学。爱因斯坦的确对前者和后者都有质疑，但是我们不应该像《墨子沙龙》那样把两个分别的反对意见混为一谈。

爱因斯坦对哥本哈根解释的不满，原因很简单，就是哥本哈根解释甚至无法有数学意义上的定义：“观察者”（和观察者网无关）是什么？“观察”是什么？“实验”是什么？它们和宇宙日常运行的其他无数个事件有什么不同？所以哥本哈根解释在逻辑上根本就没有一个结构可以讨论。正确的理论是量子去相干，这在30年前欧美的物理数学界就已经确定，但是因为是个冷门题目，没有很多论文发表，而且不是发表在“主流”物理期刊上，中国物理界似乎只有极少数人注意到。

至于爱因斯坦在那篇EPR论文中对量子力学本身的质疑，则完全是另外一回事。从量子力学创立之初，就有实验暗示着非局部性（Non-locality，也有翻成“非定域性“），但是局部性却是爱因斯坦推导相对论的基本假设之一（做物理专业的人，可以仔细想想Equivalence Principle的设定条件是什么？两个”局部“的系统…），虽然相对论本身和量子力学的非局部性可以勉强达成共存，亦即后者不能以超光速传递信息或能量，但是为什么会有这样的逻辑冲突，为什么一个勉强的共存会存在，却不是爱因斯坦这种有严谨逻辑思维习惯和能力的人，会愿意像波尔那样，草率放到一边的。

爱因斯坦的那篇EPR论文，就是为了解决相对论和量子力学的非局部性之间的逻辑冲突，所做的一个尝试。他的出发点当然是前者，所以假设后者只是一个假象，来自量子力学内部的未知结构；也就是，比量子力学更基本一层的理论应该是服从局部性的。贝尔后来也考虑了这个问题，认为爱因斯坦的假设是错的，写下了他的定理，然后后世的实验一而再，再而三地证实了贝尔的想法。换句话说，量子力学的非局部性是Irreducible（无可简化的）。《墨子沙龙》里，把这称为哥本哈根解释的胜利，真正是莫名其妙。就算他们忘记哥本哈根解释不是物理，先天就不可能用实验证实或证伪，也该知道玻尔根本就懒得讨论非局部性和相对论之间的冲突，更对非局部性能否被简化完全无感。贝尔则和爱因斯坦一样，知道哥本哈根解释是个胡扯，他相信的是与之敌对的Bohmian Mechanics。《墨子沙龙》的作者如此颠倒黑白，张冠李戴，用句中国常见的玩笑话来说，能压得住贝尔祖师爷的棺材板吗？

“墨子号”科学实验卫星

我称贝尔为祖师爷，是有道理的。现在流行的所谓“量子通信”，其实就是贝尔实验把两个粒子的距离拉开到几百或几千公里的成果。在有这个工业应用之前的几十年里，潘建伟这样的人都会被称为贝尔实验的专家。专门做了一辈子的贝尔实验，却始终没有去读懂贝尔的著作，以致至今仍然相信哥本哈根解释，是件非常非常奇怪的事情。

至于王国文的文章，讨论的是Bohmian Mechanics的一个引申，也就是把点粒子换成波包。这似乎是最近两三年的一个新尝试，我以前没有注意到，王国文也没有列举这个新理论的出处和任何参考数据，所列的参考文献都是早年量子力学的经典著作。他文章中提到的泽亚·梅拉利（参见https://www.nature.com/news/quantum-physics-what-is-really-real-1.17585）其实并不是牛津大学的教授，而是英国媒体界的一个科普作家，那篇《Nature》的文章，也不是专业论文，而是介绍牛津的Owen Maroney团队的一个关于Bohmian Mechanics（王国文把它叫做德布罗意理论，其实是同一件事，Bohm继承了de Broglie的思路而完善之）实验（也就是观察BM的数学模型在巨观系统下的一个体现，逻辑上来说并不能证实或证伪BM，然而BM原本就是物理数学而不是物理）的新闻稿。不过除了前述无关宏旨的一些小毛病，他文章的主轴，也就是对贝尔实验的诠释，遵循爱因斯坦 - de Broglie-Bohm-贝尔一系的正统思想，没有什么可争议的。

我对他所解释的那个Bohmian Mechanics的引申，很有兴趣，会继续找资料来做深入了解。这是因为王国文宣称把点粒子换成波包之后，就可以直接相对论化。Bohmian Mechanics唯一的大缺点就在于不能与量子场论兼容；过去60多年，一直有人努力不懈地钻研这个冷门的题目，想要突破这个难关。把点粒子换成波包，对我来说，是一个很有潜力的点子，有可能会让BM和相对性量子力学（量子场论又更复杂）兼容，那么或许就能解答前面提到的为什么相对论本身和量子力学的非局部性可以勉强达成共存的难题。

BM本身就是显性的非局部（Explicitly Non-local），所以它的引申也同样地会有显性的非局部性。BM解释贝尔实验不但是小菜一碟，而且原本就是贝尔自己用的理论。贝尔实验证伪的，不是潜变量（Hidden Variables），而是爱因斯坦的EPR论文里面假想的遵守局部性的潜变量理论。

2

单粒子（Single Particle，没有缝隙，也没有墙）系统没有任何物理反应，所以当然用不上量子去相干；但是单事件（Single Event）实验绝对可以用量子去相干来解释清楚。请注意，量子去相干不但没有“塌缩”这个说法，它原本就是为了详细解释塌缩这个假象而发展出来的。

王向斌所说的“测量完成后，任何被测系统在所测的物理量相应的空间中都得是一个纯态，即不能与任何别的东西纠缠”，是他错误的核心。量子去相干理论真正说的，刚好相反，就是测量的过程正是让被测量的粒子和测量仪器做反应，从而形成两者之间的纠缠，同时打破被测量的粒子原本在几个不同量子态之间的相干性（靠的是测量仪器的大量凝态粒子的自我相互作用来消灭相干性）。被测量粒子和测量仪器之间形成完美的纠缠态，而不是纯态。

用双缝实验做具体的例子：被测量粒子是单个入射光子；“测量仪器”则是那面墙，测量的物理量是光子的位置。光子经过双缝的时侯，走A路和走B路的波函数是叠加的，这时A和B就是所谓的“相干”。这和古典粒子随机决定走A路和走B路不同，因为古典随机现象叠加的是机率密度，而量子现象叠加的是波函数；前者是后者在向量空间的自我做张量外积（Tensor Product）后的对角线项，一般说成是平方。因为在隙缝处两个波函数叠加，所以从隙缝到墙之间，经过薛丁格方程式的演化，在墙上的波函数分布仍然同时有A和B的贡献，于是产生了复杂的条纹，这叫做“干涉”。讨论到目前为止，都属于标准量子力学的范畴，可以用实验证明，没有任何争议。

波函数在墙上各个不同位置的可能性，也是叠加的，换句话说，仍然处于相干态。然后光子与墙作用，只有一个点亮起来，于是光子的位置被确定了，实验完成。在最后这一步，才出现对其背后逻辑的分歧看法，有了各种“解释”。

Copenhagen解释说，测量仪器和观察者都是系统（即这个单一光子）之外的神秘物体，波函数只对系统有效（只考虑被测量粒子，而不管粒子与仪器的互动，其实是Copenhagen解释的基础逻辑错误）。“仪器”、“测量”、“观察者”和“观察”都无法定义，反正人看到了自然会知道。那么既然只有光子有波函数，它撞墙的过程就必须从原本所有可能位置的相干态，一瞬间转变为集中在亮点的纯态，这被波尔叫做“塌缩”（Collapse）。至于在人类演化之前，显然没有任何可能的“仪器”、“测量”、“观察者”和“观察”，量子事件是怎么塌缩的，就不关波尔的事了。Copenhagen解释对懒得用脑的实验者来说，是个很直觉、容易上手的经验准则，但是完全经不起逻辑的推敲。

量子去相干则不一样。它说整个宇宙只有一个波函数，包含了每个粒子。相互之间没有作用的粒子，原本的多变量波函数可以Degenerate，分解成为个别粒子的波函数的简单乘积，所以光子的飞行过程，可以看作是单粒子波函数的演化。但是光子撞墙，就是它和墙内部的极大数量处于凝态的原子有了作用，这个过程绝对不能看作是单粒子波函数的自行演化，而必须是“光子+墙”（也就是”被测量粒子+测量仪器“）这个巨观系统的波函数的共同演化。因为墙处于低温凝态，每个原子的位置都是固定的，没有任何不同可能位置之间的不确定性和相干性，一旦光子和它作用，形成完美的纠缠，就以大欺小，把光子不同位置之间原本的相干性用巨量的原子稀释掉了（到非常接近于零，但不是数学上的零，只是物理上的零，亦即无法用实验与真零分辨出来）。这个过程叫做“去相干”；它不是什么神秘的新机制，而仍然遵守着薛丁格方程，只不过因为是数量极大的多体问题，所以不能有确解。这个过程的结果，不是一个纯态，而是”被测量粒子+测量仪器“之间的纠缠态。

Einstein所说的“上帝不掷骰子”，指的是Copenhagen解释里塌缩的过程中，原本光子有无限多个可能的位置，必须一瞬间丢弃近净，新的波函数里只剩下一个单一的测量结果，就像掷骰子一样。相对的，量子去相干解释里，原本光子的所有不同可能位置，仍然被包含在新的波函数里，并没有被舍弃；但是波函数已经不再能被视为个别粒子的波函数的简单乘积，而是一个巨观系统的波函数，所以不确定性仍然在，只是相干性被稀释光了。换句话说，新的波函数仍然包含着所有光子原本所有可能的位置a，b，c，d，e…，但是它们之间没有相干性，所以波函数在向量空间的表象里，出现了另一个与前不同的简化，是波函数分解成对应a，b，c，d，e…等等可能性的OR和（即只有一个能留存），不论现实走上哪一条路，新波函数的演化都好像只对应着一个单一的测量结果。

我想很显然的，量子去相干不但没有任何定义上的困难，而且逻辑严谨自洽，推演过程自然，应用在没有人类的宇宙中，也完全没有问题。王向斌的毛病，出在他先接受Copenhagen解释的歪论，得到一个错误的结论（即光子必须处于纯态），然后用它来“证伪”量子去相干。

总结来说，单粒子一旦被“测量”，就是与测量仪器有了作用，也就不能再被视为独立的系统；新的系统是巨观的，包括了被测量的粒子和测量仪器，如果“观察者”操作了仪器，那么他也参与了作用，必须也被包括到系统里面。这时系统有很复杂的量子纠缠，波函数不能沿观察者/仪器/粒子的分界线分解开来，但是因为巨观凝态系统能够去相干，所以反而可以沿着去相干的维度（对应着不同测量结果）来分拆。以上是量子去相干的核心论点，但是现实是否只有一个，它在不同测量结果之间如何做选择，这就超越了量子去相干理论的范畴，需要进一步的理论分析。Bohmian Mechanics认为现实对应着一个隐藏的点粒子，并以此为根据，建立了完整的逻辑体系。

我个人觉得BM是目前最好的解释，但是仍然不完美，所以大概不是最终的解释。然而量子去相干却完全没有疑义，它是量子力学测量过程的逻辑正解，任何坚持Copenhagen解释的文章，都是拒绝接受科学的进步，固守已被淘汰的破产理论，如同古人假想有天神存在一样，在事实和逻辑上原本就是站不住脚的假设，现在有了逻辑严谨的替代理论，是该放弃的时候了。

3

话题转到Frank Wilczec。他所发明的这个所谓“时间晶体”（Time Crystals），其实只不过是一个周期稳定的多体系统，就像地球绕着太阳转，也是周期性的多体系统，但是在微观尺度下，因为量子效应，就有可能自我稳定，能抗拒一点扰动。如果我们诚实地只把它叫做“周期稳定的多体系统”（Periodically Stable Multibody System，PSMS），那么它因为没有任何实用性，而且听起来像是PMS（Post Menstrual Syndrome，月经后症候群），就会理所当然地无人理睬，沦为千千万万个冷门的项目之一。

事实上，如果和上周我们谈过的杨振宁被PRL拒稿的论文相比，杨先生所讨论的一维多体系统，不但给出了详细的确解，而且在数学上也有广泛的可能应用，照理说应该比时间晶体重要而且热门多了。那么，为什么实际现象是刚好相反的呢？

除了Wilczec的朋友门徒众多，在美国物理界的政治能量远高于现在的杨先生之外，他为自己论文所取的“时间晶体”这个名字，真正是营销学里的经典之作。虽然没有什么深刻的内涵，而且Wilczec自己只不过是笼统地做了个提议，不但没有做出详解，而且连有什么限制和性质都必须等其他人研究出来，例如后续的研究才发现时间晶体不可能处于平衡态（Equilibrium）。但是晶体正是整个凝态物理一贯的核心研究对象，人人都熟悉；而从空间扯到时间则暗示着凝态物理也可以搞相对论了，所以光是这个名字就极为高大上，一看就是热门流行的品牌。更妙的是，只须要把凝态物理既有的技巧从空间转到时间，真正是任何一个专家（爱因斯坦对专家的定义是训练有素的狗）都不费什么心思就可以出论文的题目。

有了响亮的品牌名称和基本盘（即Wilczec的朋友门徒），一个新产品要成功，只需要有初始的市场能量（Market Momentum）。在这方面，Wilczec自己什么真正的研究也没做，就反而是关键了。正是因为真正的研究完全没有开始，随便一搞一大堆成果，所以论文特别容易写。一旦大家被吸引进来，又自然有网络效应，保证互相引用（Citations）数量极大。这样一来营销的能量就会自行累积，很快成为现象级的产品。我在前一阵子讨论有关“天使粒子”的炒作，其实那些人背后的考虑也是一样的，只不过那个名字太牵强，宗教意味太浓，反而对行内人没有吸引力；再加上出论文还不到时间晶体这么容易，所以虽然也搞了起来，热度就差了一个数量级。如果像杨先生那样，喜欢在一篇论文内就涵括所有可能做的出来的研究结果，那么除非他刚好解答了一个古老的极为困难又极大的问题（例如Yang-Mills），后续论文数量自然很接近零，引用的数量也不会太多，结果就只能是冷门中的冷门。

所以Frank Wilczec成功而杨振宁失败的关键，就在于后者只懂得做科学研究，而前者却是当代物理界自我炒作、建立品牌方面的绝对大师。Wilczec不但和杨先生一样有诺贝尔奖，而且他是古今中外、独一无二、绝无仅有、独步天下的高中科学展全国金牌奖（美国的原本叫做西屋科学展，后来改由Intel资助）兼诺贝尔物理奖双料得主。这些科学展每年都有金牌奖得主宣称已经治愈癌症，或者解决全球暖化，或者能提供无限廉价而清洁的能源等等，但是他们一旦拿着奖牌进了大学，就从来没有任何一个研究结果真正进入人类社会。换句话说，这些科学展评比的，不是研究本身，而是如何炒作假大空的研究结果。所以Wilczec的确有世界级的过人天赋，从小就在自我炒作方面脱颖而出。

这些科学展金牌奖得主不但高中时代的研究结果没有下文，而且后来也不可能自己做出诺贝尔奖级别的创新。那么Wilczec的诺贝尔物理奖是怎么来的呢？他21岁那年，刚进研究所不久，拿着科学展金牌奖得主的光环，得以成为名教授David Gross的学生。当Gross证明Yang-Mills方程式可以产生强作用力的已知特性，从而确立QCD为标准模型的一部分时，他自然成为第二作者。也就是他运气极佳；若是早五年或晚五年生，David Gross的学生和第二作者就会是另一个人，Wilczec也就不可能得诺贝尔奖了。这样的运气当然是罕见的；而且近年的Intel科学展金牌奖得主在进了名校（一般是Stanford或MIT）之后，往往很诚实地转行学商，准备到硅谷去创业。如此一来，要有后辈重复Wilczec的双料得奖，可能性就越来越低。

你所怀疑的，时间晶体是迎合热点的一个例子，不但正确，而且它其实是创造热点的经典范例，商学院应该把它列入教科书才对。不过，当理学院的大师搞的其实是商学院的高招时，他们出版的研究结果自然就很可疑了。我最早是在高能物理注意到这类运作（Wilczec也是高能物理出身的）：这样的教授通常广收门徒，以便结党成派；在做Brainstorming时，讨论也会非常关注如何，1）为题材选择响亮的名字，和2）留下空档，以方便后续论文发表。30年下来，高能物理不这么干的都退了，只剩下这些职业政治家兼营销大师当权；与此同时，整个领域的实际进展也完全停滞，从科学转化为玄学。我不能确定，这两个现象，那个是因，那个是果，但是凝态物理现在也开始转变为营销专业户，这对整个行业来说，不可能是个好现象。

4

经过分析之后，杨先生那篇论文被《Physical Review Letters》拒稿显然是因为题材不够热门之故，和研究水平高低没有关系。我看了看读者的评论，注意到大多数的专业研究人员都对学术界追求热门流行的现象很熟悉，但是很少有人质疑这个现象本身的好坏对错。上次我评论张首晟一事，批评他是专门”追救护车“的，居然还有人说本来做学术就应该这样，我对追救护车的负面态度是好高骛远，误导学子。其实当时的话题是张首晟把自己吹嘘成诺贝尔奖热门，而诺贝尔奖最重要的评选标准之一就是创新性，绝对不应该是追救护车的研究；进物理这个领域，则当然不应该是为了想得诺贝尔奖。那么把诺贝尔奖的标准和入行的理由扯在一起，纯粹只是运用了转变话题、自己树靶自己打的狡辩术（英文叫做Straw Man Fallacy）。

专业期刊只登热门的题目，研究者为了出论文，也就只能追救护车，这不止对行业自身不是好事，对人类社会更有长期的负面影响。不追救护车，并不意味着孤注一掷、只想打全垒打，反而是可以研究千千万万冷门的题材，而引领出看似微小但仍然可能重要的创新。所有的人才都专注到少数几个热门的项目上，不但必然有重复浪费，而且一个行业自身不可能有对人类世界的全局观，靠Herd Mentality（兽群心态）而自我定义的重要题目，也就会有偏差，挂一漏万，何况尖端的研究方向，原本就不可能事先准确预期有多大的发展。现代学界的终身教授制，就是针对这个问题而建立的：虽然明明知道必然会有懒人、庸人钻漏洞，像海鞘一样安定下来就先消化掉自己的大脑，但是两害相权之下，不让教授能安心钻研冷门的题材为害更大。中国学术界的管理者应该好好想清楚这个道理，然后对目前两害兼有的半吊子制度做出适当的改革。

我不但与杨先生从未谋面，原本连他的论文都没有读过。这是因为他比我早了两代，所创作的理论又极为重要，早已被后人详细整理阐述，我也就无须去读原版。但是我在台湾清华求学时，就听刚从美国回归的师长提起，说杨先生的论文，文字极为简练、直接、易读，然而逻辑严谨、环环相扣、无懈可击，是完美的专业写作风格。我后来自己到美国，花了十年以上练习写作，一直都把这个评语记在心里，作为努力的目标。如果我的读者也觉得我的文章，够得上同样的形容，那么那些努力就不算白费了。