量子熱學(xué)不是尼克斯科學(xué)，但它很有可能替代鵜鶘科學(xué)，成為一個令人難以理解的物理困局。量子熱學(xué)出了名的令人無法理解，它遵守直覺又看上去毫無意義。科普報導(dǎo)總是將它描述為“奇怪的”、“怪異的”、“令人無法置信的”或以上所有特性。
但是，我們并不那么覺得，量子熱學(xué)是完全可以理解的。只是化學(xué)學(xué)家在半個世紀(jì)前舍棄了惟一的理解方式。時至今日量子和粒子物理學(xué)何以解釋一切，數(shù)學(xué)學(xué)的基礎(chǔ)理論幾乎停滯不前。當(dāng)初沒能解決的重大問題明天依然懸而未決。我們始終不曉得暗物質(zhì)是哪些，我們依然沒有解決愛因斯坦引力理論和粒子化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型之間的分歧，我們一直不了解量子熱學(xué)中檢測意味著哪些。
我們?nèi)绾文軌蚩朔@種困局？是時侯重新考量一個已經(jīng)被遺忘的解決方案：超決定論（），即宇宙中沒有哪兩個部份是真正互相獨立的。這個方案讓我們對量子檢測有了數(shù)學(xué)上的理解，并有望借以改進量子理論。修正量子理論將成為化學(xué)學(xué)家們努力解決數(shù)學(xué)學(xué)中其他問題和找尋量子技術(shù)新應(yīng)用的驅(qū)動器。
量子熱學(xué)無處不在
到目前為止，化學(xué)學(xué)家和哲學(xué)家都覺得，有缺點的不是量子熱學(xué)，而是我們對它的理解。因而，對量子熱學(xué)的理解可以側(cè)重在其物理的重新解釋里面，希望問題最終能否取得突破。但突破還沒有出現(xiàn)，由于量子熱學(xué)的每一種解釋都存在問題，她們都不是完全自洽的，只有更好的理論能夠解決那些問題。量子熱學(xué)不可能是自然界運行的最基本的規(guī)則，我們要趕超它才行。
問題是，沒有人曉得為何當(dāng)人們企圖檢測量子效應(yīng)時，量子效應(yīng)會消失。
公正地說，責(zé)怪量子熱學(xué)的缺點并為此要求完全代替它的其他理論，是對一個這么成功和精確的理論的最大羞辱。我們必須指出的是，無論量子熱學(xué)奇怪與否，它都早已存在了超過100年，它完成了好多了不起的工作并幫助相信它的化學(xué)學(xué)家博得了大量獎金。
沒有量子熱學(xué)，我們就沒有激光，就沒有半導(dǎo)體和晶體管，就沒有計算機、數(shù)碼單反和觸摸屏。我們不會有載流子磁共振，電子隧洞顯微鏡和原子鐘。我們也不會擁有基于所有那些技術(shù)的無數(shù)應(yīng)用程序中的任何一個。我們沒有Wi-Fi，沒有人工智能，沒有LED，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)基本上也會不復(fù)存在，由于現(xiàn)今大多數(shù)成像工具和剖析方式都依賴于量子熱學(xué)。最后但也很重要的是，量子計算機不會出現(xiàn)。
因而，毫無疑惑，量子熱學(xué)與社會息息相關(guān)。同理，毫無疑惑，更好地理解它可以獲得更多成果和進步。
沒有人理解量子熱學(xué)
這么，為何連知名的化學(xué)學(xué)家都一再申明量子熱學(xué)是難以理解的呢？
量子熱學(xué)的核心概念是波函數(shù)。在量子熱學(xué)中，一切都是由波函數(shù)描述的。波函數(shù)是形容基本粒子的，而基本粒子又組成了一切，所以一切事物都是由波函數(shù)來形容。所以有電子的波函數(shù)，原子的波函數(shù)，貓的波函數(shù)等等。嚴格地說，一切事物都有量子行為，只是在日常生活中大多數(shù)量子行為是觀測不到的。
問題是，沒有人曉得為何當(dāng)人們企圖檢測量子效應(yīng)時，量子效應(yīng)會消失。自從化學(xué)學(xué)家們提出量子熱學(xué)以來，這個“測量問題”就始終困惑著她們。部份謎團都已得到了解決，但對這一部份的理解仍不令人滿意。
隱變量：擲色子的結(jié)果是難以預(yù)測的，由于它對細節(jié)（比如手的動作）敏感。因為這部份信息未知，因而對于實際目的，擲色子是隨機的。這是怎樣理解量子熱學(xué)的方式。倘若缺乏信息，則可以進行量子檢測的結(jié)果。
為了了解這個問題，假定你有一個粒子和兩個偵測器，一個在左側(cè)，一個在左邊。若果將粒子向左發(fā)送，則左檢查器會發(fā)出滴答聲。若果將粒子往右發(fā)送，則右檢查器會發(fā)出嘶嘶聲。但在量子熱學(xué)中，你可以做的不止這種：你可以讓一個粒子同時處于兩種狀態(tài)。比如，你可以通過分束器（beam-）發(fā)射粒子，這樣以后它就可以既向左運動又往右運動。化學(xué)學(xué)家說粒子是左右“疊加”的。
并且你從來沒有觀測到過一個處于疊加態(tài)的粒子。對于這樣的疊加態(tài)，波函數(shù)并不會告訴你一定會檢測到哪些，你只能預(yù)測你檢測結(jié)果的機率。假定它預(yù)測到向左的機率是50%，往右的機率也是50%。這樣的預(yù)測對于一組粒子或一系列重復(fù)檢測是有意義的，但對于單個粒子卻沒有意義。偵測器要么發(fā)出咔嗒聲，要么不發(fā)出咔嗒聲。
物理上，“發(fā)出咔嚓聲或不發(fā)出咔嚓聲”要求我們在檢測頓時改變它的波函數(shù)，這樣在檢測以后，粒子在確實測量到它的偵測器中百分之百地存在。
量子熱學(xué)不可能是自然界運行的最基本的規(guī)則，我們要趕超它才行。
這些改變（亦稱為波函數(shù)的“塌縮”）是瞬時的，它在任何地方都同時發(fā)生。這顯然與愛因斯坦的光速是信息傳播速率的極限相沖突。但是，觀測者不能借助這一點來發(fā)送比光還快的信息，由于觀測者難以控制檢測結(jié)果是哪些。
事實上，檢測更新的同時性并不是主要問題。主要的問題是，假如量子熱學(xué)像大多數(shù)化學(xué)學(xué)家所相信的那樣是一種基本理論，這么檢測更新應(yīng)當(dāng)是多余的。雖然，偵測器也是由基本粒子組成的，所以我們應(yīng)當(dāng)才能估算出在檢測中發(fā)生了哪些。
不幸的是，我們除了不曉得怎么估算偵測器被粒子擊中時的行為，除非我們只是假定檢測會造成波函數(shù)的突變，更糟的是，我們曉得這是不可能發(fā)生的。
我們曉得，假如沒有波函數(shù)的塌縮，就不可能正確地描述量子檢測，由于檢測過程比不觀察波函數(shù)時的行為更復(fù)雜。檢測過程的主要作用是去除可檢測結(jié)果的疊加性。相反，一個沒有被檢測的波函數(shù)就會處于疊加態(tài)，這根本不是我們觀察到的結(jié)果。我們從來沒有碰到過同時發(fā)出嘶嘶聲和不發(fā)出嘶嘶聲的偵測器。
這在方式上意味著，盡管量子熱學(xué)是線性的（保持疊加），但檢測過程是“非線性的”，它屬于比量子熱學(xué)更復(fù)雜的一類理論。這是改進量子熱學(xué)的一條重要線索，但幾乎完全沒有人注意到。
相反，有些化學(xué)學(xué)家覺得波函數(shù)并沒有描述單個粒子的行為，進而掃除了量子檢測的困局。她們覺得波函數(shù)描述的不是粒子本身，而是觀察者對粒子行為的了解。當(dāng)我們進行檢測時，這種知識應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁隆５P(guān)于這種知識是哪些，你不應(yīng)當(dāng)問。
但是，這些解釋并不能去除這樣一個問題：假若量子熱學(xué)是基本的，這么我們應(yīng)當(dāng)才能估算出在檢測過程中發(fā)生了哪些。“觀察者”所得到的“知識”也應(yīng)適用于宏觀對象，其行為起碼在原則上應(yīng)當(dāng)可以從基本粒子的行為中導(dǎo)入。并且，我們曉得這是不可能的，由于檢測過程不是線性的。一個人不能通過重新解釋物理來解決矛盾，只能通過糾正物理來解決。
一種可能的解決方式
解決這個困局只有兩條路。一是反對還原論，承認宏觀物體的行為不能從其組成部份的行為中推演下來，甚至在原則上也不能。
拒絕還原論在哲學(xué)屋內(nèi)很流行，但在科學(xué)屋內(nèi)卻十分不受歡迎，但是理由充分。還原論早已取得了明顯的成功，并在經(jīng)驗上得到了挺好的否認。更重要的是，從來沒有人提出過一個一致的、非還原論的自然理論。而舍棄還原論而不提出更好的解釋除了毫無益處，并且反科學(xué)的。這無助于我們?nèi)〉眠M展。
另一個合乎邏輯的解決方案是，量子熱學(xué)并不是一個基本理論，它只是對更深層現(xiàn)實的一瞥。
假如量子熱學(xué)不是一個基本理論，這么我們不能預(yù)檢測子檢測結(jié)果的誘因僅僅是我們?nèi)鄙傩畔ⅰ榇耍孔与S機性和擲色子的隨機性沒有區(qū)別。
普遍關(guān)聯(lián)性，這個概念的特點，并沒有在基本粒子的層次上突顯下來。
擲色子的結(jié)果在原則上是可以預(yù)測的。但它在實踐中是不可預(yù)測的，由于它對最微小的擾動都十分敏感，例如你的手的精確運動，磨具形狀的缺陷，或則它滾動表面的粗糙度。因為這是我們沒有的信息（或則雖然我們有，也難以估算），擲色子在所有實際應(yīng)用中都是隨機的。我們最好的預(yù)測是，當(dāng)我們對未知的、確切的細節(jié)進行平均時，任何一面出現(xiàn)的機率是1/6。
這是我們理解量子熱學(xué)的一種形式。檢測結(jié)果原則上可以預(yù)測，只是我們?nèi)狈π畔ⅰ２ê瘮?shù)本身并不是對單個粒子的描述，檢測結(jié)果只是一個平均值。這就解釋了為何量子熱學(xué)只做機率預(yù)測。似乎潛在的新理論可以重現(xiàn)量子力學(xué)的預(yù)測，但假如我們有這個理論，我們也可以辨認出在什么情況下我們應(yīng)當(dāng)見到偏離量子熱學(xué)的現(xiàn)象。
這個觀點得到了這樣一個事實的支持，即描述波函數(shù)行為的經(jīng)驗性確定性的等式幾乎與化學(xué)學(xué)家拿來描述大量粒子而不是單個粒子行為的等式相同。
歷史上，這些理解量子熱學(xué)的方式被稱為“隱變量理論（）”，“隱變量”在這兒是所有未知信息的集合，假如我們有了它，量子檢測的結(jié)果將可以被確切預(yù)測。
數(shù)學(xué)學(xué)走在錯誤的公路上嗎？
須要指出的是，帶有隱藏變量的理論不是對量子熱學(xué)的解釋。它們是不同的理論，它們更確切地描述了自然，但是確實可以解決檢測問題。
不用多說，我們并不是第一個強調(diào)量子熱學(xué)如同一個求平均的理論的人。這可能是每位人在面對隨機檢測結(jié)果時就會想到的。從量子熱學(xué)初期開始，數(shù)學(xué)學(xué)家就開始考慮隱變量。但后來她們錯誤地覺得這一選擇是不可行的，這一錯誤在明天依舊存在。
化學(xué)學(xué)家?guī)琢昵胺傅腻e誤是從1964年約翰·貝爾證明的物理定律中得出錯誤的推論。這個定律表明，在任何蘊涵變量容許我們預(yù)測檢測結(jié)果的理論中，檢測結(jié)果之間的相關(guān)性服從一個界限。從那時起，無數(shù)的實驗表明，這個界限是可以被打破的。由此可知，貝爾定律所適用的隱變量理論是被證偽的。化學(xué)學(xué)家得出的推論是量子理論是正確的，而隱變量理論不正確。
然而貝爾定律提出了一個假定，這個假定本身沒有得到證據(jù)支持：隱變量（不管它們是哪些）與測量器的設(shè)置無關(guān)。這些被稱為“統(tǒng)計獨立性”的假定是合理的，只要實驗只涉及像藥丸、老鼠或癌細胞這樣的小型物體。但是，量子粒子是否創(chuàng)立，沒有人曉得。
違背統(tǒng)計獨立性的隱變量理論引出了超決定論。令人驚訝的是，她們未曾被排除在外。她們甚至未曾進行過實驗測試，由于這須要一種不同于數(shù)學(xué)學(xué)家迄今所做的實驗。為了檢驗超決定論，人們必須找尋證據(jù)，證明量子化學(xué)并不像我們想像的那樣隨機。
超決定論的核心思想是，宇宙中的一切都與其他一切有關(guān)，由于自然法則嚴禁個別粒子的構(gòu)象。假如你有一個低矮的宇宙，把一個粒子置于其中，這么你就不能任意地把其他粒子置于其中。她們必須先服從個別關(guān)系。
這些普遍的關(guān)聯(lián)性非常意味著，假如你想檢測量子粒子的性質(zhì)，這么這個粒子永遠不會獨立于檢測設(shè)備。這并不是由于裝置和粒子之間發(fā)生了任何互相作用。二者之間的依賴性只是一種自然屬性，但是，假若一個人只關(guān)注宏觀設(shè)備，這些關(guān)聯(lián)性就不會被注意到。假如是這樣的話，量子檢測就有了明晰的結(jié)果，因而在解決檢測問題的同時，會造成違背貝爾定界。
很難解釋為何化學(xué)學(xué)家花了半個世紀(jì)的時間來研究一個不一致的理論，卻從來沒有認真考慮過統(tǒng)計獨立性可能會失效。假如在量子實驗中違背了統(tǒng)計獨立性，這么對其具體后果的剖析就極少了。如上所述，任何解決檢測問題的理論都必須是非線性的，因而很可能會形成混沌動力學(xué)。小的變化形成大的結(jié)果的可能性是混亂的標(biāo)志之一，并且在關(guān)于隱變量的爭辯中卻被完全忽視了。
低風(fēng)險，高回報
鑒于量子熱學(xué)的技術(shù)相關(guān)性，趕超它將是一個重大的科學(xué)突破。但因為歷史遺留問題，研究過或目前研究超決定論的研究人員要么被忽略，要么被指責(zé)。因而，這一看法關(guān)注的人依然甚少。
因為缺少研究，我們至今還沒有普遍適用的超決定論理論。我們確實有一些模型為理解違背貝爾不方程提供了基礎(chǔ)量子和粒子物理學(xué)何以解釋一切，而且沒有理論能像現(xiàn)有的量子熱學(xué)理論那樣靈活。其實超決定論作出的一些預(yù)測在很大程度上是與模型無關(guān)的，因而檢測結(jié)果的隨機分布應(yīng)當(dāng)比量子熱學(xué)中的少，但因為這種預(yù)測不是基于一個成熟的理論，因而很容易遭到批評。
實驗主義者甚至不想測試這個看法。但我們不太可能碰巧發(fā)覺超決定論的證據(jù)。普遍關(guān)聯(lián)性并沒有在基本粒子的層次上突顯下來。為此，我們不覺得用越來越大的粒子加速器偵測越來越小的距離將有助于解決一直懸而未決的基本問題。
明天的大多數(shù)化學(xué)學(xué)家被錯誤地教導(dǎo)檢測問題早已解決，或則錯誤地覺得隱藏的變量早已被排除，這對化學(xué)學(xué)的進步是無用的。