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(gè)令人難以理解的物理困局。量子熱學(xué)出了名的令人無(wú)法理解，它遵守直覺(jué)又看上去毫無(wú)意義。科普?qǐng)?bào)導(dǎo)總是將它描述為“奇怪的”、“怪異的”、“令人無(wú)法置信的”或以上所有特性。
但是，我們并不那么覺(jué)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(gè)世紀(jì)前舍棄了惟一的理解方式。時(shí)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(méi)能解決的重大問(wèn)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(méi)有解決愛(ài)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(cè)意味著哪些。
我們?nèi)绾文軌蚩朔@種困局？是時(shí)侯重新考量一個(gè)已經(jīng)被遺忘的解決方案：超決定論（），即宇宙中沒(méi)有哪兩個(gè)部份是真正互相獨(dú)立的。這個(gè)方案讓我們對(duì)量子檢測(cè)有了數(shù)學(xué)上的理解，并有望借以改進(jìn)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(wèn)題和找尋量子技術(shù)新應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器。
量子熱學(xué)無(wú)處不在
到目前為止，化學(xué)學(xué)家和哲學(xué)家都覺(jué)得，有缺點(diǎn)的不是量子熱學(xué)，而是我們對(duì)它的理解。因而，對(duì)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(wèn)題最終能否取得突破。但突破還沒(méi)有出現(xiàn)，由于量子熱學(xué)的每一種解釋都存在問(wèn)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(wèn)題。量子熱學(xué)不可能是自然界運(yùn)行的最基本的規(guī)則，我們要趕超它才行。
問(wèn)題是，沒(méi)有人曉得為何當(dāng)人們企圖檢測(cè)量子效應(yīng)時(shí)，量子效應(yīng)會(huì)消失。
公正地說(shuō)，責(zé)怪量子熱學(xué)的缺點(diǎn)并為此要求完全代替它的其他理論，是對(duì)一個(gè)這么成功和精確的理論的最大羞辱。我們必須指出的是，無(wú)論量子熱學(xué)奇怪與否，它都早已存在了超過(guò)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(jiǎng)金。
沒(méi)有量子熱學(xué)，我們就沒(méi)有激光，就沒(méi)有半導(dǎo)體和晶體管，就沒(méi)有計(jì)算機(jī)、數(shù)碼單反和觸摸屏。我們不會(huì)有載流子磁共振，電子隧洞顯微鏡和原子鐘。我們也不會(huì)擁有基于所有那些技術(shù)的無(wú)數(shù)應(yīng)用程序中的任何一個(gè)。我們沒(méi)有Wi-Fi，沒(méi)有人工智能，沒(méi)有LED，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)基本上也會(huì)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(jì)算機(jī)不會(huì)出現(xiàn)。
因而，毫無(wú)疑惑，量子熱學(xué)與社會(huì)息息相關(guān)。同理，毫無(wú)疑惑，更好地理解它可以獲得更多成果和進(jìn)步。
沒(méi)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(lái)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(yán)格地說(shuō)，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(cè)不到的。
問(wèn)題是，沒(méi)有人曉得為何當(dāng)人們企圖檢測(cè)量子效應(yīng)時(shí)，量子效應(yīng)會(huì)消失。自從化學(xué)學(xué)家們提出量子熱學(xué)以來(lái)，這個(gè)“測(cè)量問(wèn)題”就始終困惑著她們。部份謎團(tuán)都已得到了解決，但對(duì)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(cè)的，由于它對(duì)細(xì)節(jié)（比如手的動(dòng)作）敏感。因?yàn)檫@部份信息未知，因而對(duì)于實(shí)際目的，擲色子是隨機(jī)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(jìn)行量子檢測(cè)的結(jié)果。
為了了解這個(gè)問(wèn)題，假定你有一個(gè)粒子和兩個(gè)偵測(cè)器，一個(gè)在左側(cè)，一個(gè)在左邊。若果將粒子向左發(fā)送，則左檢查器會(huì)發(fā)出滴答聲。若果將粒子往右發(fā)送，則右檢查器會(huì)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(gè)粒子同時(shí)處于兩種狀態(tài)。比如，你可以通過(guò)分束器（beam-）發(fā)射粒子，這樣以后它就可以既向左運(yùn)動(dòng)又往右運(yùn)動(dòng)。化學(xué)學(xué)家說(shuō)粒子是左右“疊加”的。
并且你從來(lái)沒(méi)有觀測(cè)到過(guò)一個(gè)處于疊加態(tài)的粒子。對(duì)于這樣的疊加態(tài)，波函數(shù)并不會(huì)告訴你一定會(huì)檢測(cè)到哪些，你只能預(yù)測(cè)你檢測(cè)結(jié)果的機(jī)率。假定它預(yù)測(cè)到向左的機(jī)率是50%，往右的機(jī)率也是50%。這樣的預(yù)測(cè)對(duì)于一組粒子或一系列重復(fù)檢測(cè)是有意義的，但對(duì)于單個(gè)粒子卻沒(méi)有意義。偵測(cè)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?cè)跈z測(cè)頓時(shí)改變它的波函數(shù)，這樣在檢測(cè)以后，粒子在確實(shí)測(cè)量到它的偵測(cè)器中百分之百地存在。
量子熱學(xué)不可能是自然界運(yùn)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(shí)的，它在任何地方都同時(shí)發(fā)生。這顯然與愛(ài)因斯坦的光速是信息傳播速率的極限相沖突。但是，觀測(cè)者不能借助這一點(diǎn)來(lái)發(fā)送比光還快的信息，由于觀測(cè)者難以控制檢測(cè)結(jié)果是哪些。
事實(shí)上，檢測(cè)更新的同時(shí)性并不是主要問(wèn)題。主要的問(wèn)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(cè)更新應(yīng)當(dāng)是多余的。雖然，偵測(cè)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(cè)中發(fā)生了哪些。
不幸的是，我們除了不曉得怎么估算偵測(cè)器被粒子擊中時(shí)的行為，除非我們只是假定檢測(cè)會(huì)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(méi)有波函數(shù)的塌縮，就不可能正確地描述量子檢測(cè)，由于檢測(cè)過(guò)程比不觀察波函數(shù)時(shí)的行為更復(fù)雜。檢測(cè)過(guò)程的主要作用是去除可檢測(cè)結(jié)果的疊加性。相反，一個(gè)沒(méi)有被檢測(cè)的波函數(shù)就會(huì)處于疊加態(tài)，這根本不是我們觀察到的結(jié)果。我們從來(lái)沒(méi)有碰到過(guò)同時(shí)發(fā)出嘶嘶聲和不發(fā)出嘶嘶聲的偵測(cè)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(cè)過(guò)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(jìn)量子熱學(xué)的一條重要線索，但幾乎完全沒(méi)有人注意到。
相反，有些化學(xué)學(xué)家覺(jué)得波函數(shù)并沒(méi)有描述單個(gè)粒子的行為，進(jìn)而掃除了量子檢測(cè)的困局。她們覺(jué)得波函數(shù)描述的不是粒子本身，而是觀察者對(duì)粒子行為的了解。當(dāng)我們進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，這種知識(shí)應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁隆５P(guān)于這種知識(shí)是哪些，你不應(yīng)當(dāng)問(wèn)。
但是，這些解釋并不能去除這樣一個(gè)問(wèn)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(cè)過(guò)程中發(fā)生了哪些。“觀察者”所得到的“知識(shí)”也應(yīng)適用于宏觀對(duì)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(cè)過(guò)程不是線性的。一個(gè)人不能通過(guò)重新解釋物理來(lái)解決矛盾，只能通過(guò)糾正物理來(lái)解決。
一種可能的解決方式
解決這個(gè)困局只有兩條路。一是反對(duì)還原論，承認(rèn)宏觀物體的行為不能從其組成部份的行為中推演下來(lái)，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(yàn)上得到了挺好的否認(rèn)。更重要的是，從來(lái)沒(méi)有人提出過(guò)一個(gè)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(wú)益處，并且反科學(xué)的。這無(wú)助于我們?nèi)〉眠M(jìn)展。
另一個(gè)合乎邏輯的解決方案是，量子熱學(xué)并不是一個(gè)基本理論，它只是對(duì)更深層現(xiàn)實(shí)的一瞥。
假如量子熱學(xué)不是一個(gè)基本理論，這么我們不能預(yù)檢測(cè)子檢測(cè)結(jié)果的誘因僅僅是我們?nèi)鄙傩畔ⅰ榇耍孔与S機(jī)性和擲色子的隨機(jī)性沒(méi)有區(qū)別。
普遍關(guān)聯(lián)性，這個(gè)概念的特點(diǎn)，并沒(méi)有在基本粒子的層次上突顯下來(lái)。
擲色子的結(jié)果在原則上是可以預(yù)測(cè)的。但它在實(shí)踐中是不可預(yù)測(cè)的，由于它對(duì)最微小的擾動(dòng)都十分敏感，例如你的手的精確運(yùn)動(dòng)，磨具形狀的缺陷，或則它滾動(dòng)表面的粗糙度。因?yàn)檫@是我們沒(méi)有的信息（或則雖然我們有，也難以估算），擲色子在所有實(shí)際應(yīng)用中都是隨機(jī)的。我們最好的預(yù)測(cè)是，當(dāng)我們對(duì)未知的、確切的細(xì)節(jié)進(jìn)行平均時(shí)，任何一面出現(xiàn)的機(jī)率是1/6。
這是我們理解量子熱學(xué)的一種形式。檢測(cè)結(jié)果原則上可以預(yù)測(cè)，只是我們?nèi)狈π畔ⅰ２ê瘮?shù)本身并不是對(duì)單個(gè)粒子的描述，檢測(cè)結(jié)果只是一個(gè)平均值。這就解釋了為何量子熱學(xué)只做機(jī)率預(yù)測(cè)。似乎潛在的新理論可以重現(xiàn)量子力學(xué)的預(yù)測(cè)，但假如我們有這個(gè)理論，我們也可以辨認(rèn)出在什么情況下我們應(yīng)當(dāng)見(jiàn)到偏離量子熱學(xué)的現(xiàn)象。
這個(gè)觀點(diǎn)得到了這樣一個(gè)事實(shí)的支持，即描述波函數(shù)行為的經(jīng)驗(yàn)性確定性的等式幾乎與化學(xué)學(xué)家拿來(lái)描述大量粒子而不是單個(gè)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(cè)的結(jié)果將可以被確切預(yù)測(cè)。
數(shù)學(xué)學(xué)走在錯(cuò)誤的公路上嗎？
須要指出的是，帶有隱藏變量的理論不是對(duì)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(shí)可以解決檢測(cè)問(wèn)題。
不用多說(shuō)，我們并不是第一個(gè)強(qiáng)調(diào)量子熱學(xué)如同一個(gè)求平均的理論的人。這可能是每位人在面對(duì)隨機(jī)檢測(cè)結(jié)果時(shí)就會(huì)想到的。從量子熱學(xué)初期開(kāi)始，數(shù)學(xué)學(xué)家就開(kāi)始考慮隱變量。但后來(lái)她們錯(cuò)誤地覺(jué)得這一選擇是不可行的，這一錯(cuò)誤在明天依舊存在。
化學(xué)學(xué)家?guī)琢昵胺傅腻e(cuò)誤是從1964年約翰·貝爾證明的物理定律中得出錯(cuò)誤的推論。這個(gè)定律表明，在任何蘊(yùn)涵變量容許我們預(yù)測(cè)檢測(cè)結(jié)果的理論中，檢測(cè)結(jié)果之間的相關(guān)性服從一個(gè)界限。從那時(shí)起，無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)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(gè)假定，這個(gè)假定本身沒(méi)有得到證據(jù)支持：隱變量（不管它們是哪些）與測(cè)量器的設(shè)置無(wú)關(guān)。這些被稱為“統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性”的假定是合理的，只要實(shí)驗(yàn)只涉及像藥丸、老鼠或癌細(xì)胞這樣的小型物體。但是，量子粒子是否創(chuàng)立，沒(méi)有人曉得。
違背統(tǒng)計(jì)獨(dú)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(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，由于這須要一種不同于數(shù)學(xué)學(xué)家迄今所做的實(shí)驗(yàn)。為了檢驗(yàn)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(jī)。
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(yán)禁個(gè)別粒子的構(gòu)象。假如你有一個(gè)低矮的宇宙，把一個(gè)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(gè)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(cè)量子粒子的性質(zhì)，這么這個(gè)粒子永遠(yuǎn)不會(huì)獨(dú)立于檢測(cè)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(gè)人只關(guān)注宏觀設(shè)備，這些關(guān)聯(lián)性就不會(huì)被注意到。假如是這樣的話，量子檢測(cè)就有了明晰的結(jié)果，因而在解決檢測(cè)問(wèn)題的同時(shí)，會(huì)造成違背貝爾定界。
很難解釋為何化學(xué)學(xué)家花了半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間來(lái)研究一個(gè)不一致的理論，卻從來(lái)沒(méi)有認(rèn)真考慮過(guò)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性可能會(huì)失效。假如在量子實(shí)驗(yàn)中違背了統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性，這么對(duì)其具體后果的剖析就極少了。如上所述，任何解決檢測(cè)問(wèn)題的理論都必須是非線性的，因而很可能會(huì)形成混沌動(dòng)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(zhēng)辯中卻被完全忽視了。
低風(fēng)險(xiǎn)，高回報(bào)
鑒于量子熱學(xué)的技術(shù)相關(guān)性，趕超它將是一個(gè)重大的科學(xué)突破。但因?yàn)闅v史遺留問(wèn)題，研究過(guò)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?yàn)槿鄙傺芯浚覀冎两襁€沒(méi)有普遍適用的超決定論理論。我們確實(shí)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(méi)有理論能像現(xiàn)有的量子熱學(xué)理論那樣靈活。其實(shí)超決定論作出的一些預(yù)測(cè)在很大程度上是與模型無(wú)關(guān)的，因而檢測(cè)結(jié)果的隨機(jī)分布應(yīng)當(dāng)比量子熱學(xué)中的少，但因?yàn)檫@種預(yù)測(cè)不是基于一個(gè)成熟的理論，因而很容易遭到批評(píng)。
實(shí)驗(yàn)主義者甚至不想測(cè)試這個(gè)看法。但我們不太可能碰巧發(fā)覺(jué)超決定論的證據(jù)。普遍關(guān)聯(lián)性并沒(méi)有在基本粒子的層次上突顯下來(lái)。為此，我們不覺(jué)得用越來(lái)越大的粒子加速器偵測(cè)越來(lái)越小的距離將有助于解決一直懸而未決的基本問(wèn)題。
明天的大多數(shù)化學(xué)學(xué)家被錯(cuò)誤地教導(dǎo)檢測(cè)問(wèn)題早已解決，或則錯(cuò)誤地覺(jué)得隱藏的變量早已被排除，這對(duì)化學(xué)學(xué)的進(jìn)步是無(wú)用的。