2026年4月14日——假设你在烘焙蛋糕。你仔细按照食谱操作，精确称量并混合配料，最终得到美味的甜点。

一份优秀的蛋糕食谱应该每次都能做出完美成品，因为它详细说明了操作步骤。但它不会解释原理——比如它不会告诉你糖必须与黄油混合才能形成微小气孔，这些气孔会在烘焙时膨胀。

量子力学科学也存在类似情况。虽然量子力学的预测能力（可以称之为“量子食谱”）总能得出准确结果，但对其工作原理的解释至今未有定论。缺乏这种解释，量子力学常显得与日常物理规律相矛盾。事实上，量子现象可能显得极其怪异——海森堡不确定性原理就是典型例证，该原理指出无法同时精确测量粒子的位置和动量。

“若粒子有确定位置，是否意味着它没有动量？还是说我们无法获知动量？” 圆周研究所PSI研究员大卫·施密德发问，“这类问题目前尚无公认共识。”

施密德解释道：“如果我们有完善的理论——有人称之为解释性理论——就能回答这些问题。届时将不再存在争议或困惑。”

在圆周研究所，量子基础领域的研究人员拒绝简单接受“量子力学就是怪异”的观点。通过严谨系统的研究方法，该团队致力于强化量子理论——不仅要掌握量子力学的“食谱”，更要揭示其底层原理。

量子理论的多元视角

支配宇宙的物理规律可分为两类：经典物理与量子物理。经典物理涵盖支配日常生活的力——牛顿力学、热力学等。那个苹果从树上坠落砸中牛顿脑袋的故事，就是经典物理作用的生动例证。

量子物理则在物质与能量的最微观尺度生效——电子、光子等基本粒子的领域。在量子层面，数学计算与实验揭示了一个看似陌生的世界。

最著名的或许是，粒子的量子态（描述粒子能量、位置、自旋等特性的数学信息）通过所谓的波函数来表述。

“即便已知量子态，测量结果仍是概率性的，”圆周研究所驻校博士生玛丽娜·马西尔·安萨内利解释道。想象测量某个量子系统的自旋，结果可能是“上旋”或“下旋”。“波函数能告诉我测量时有60%概率得到上旋，40%概率下旋。但它无法确定我将观测到哪种自旋状态。”

但这对数学方程之外的现实究竟意味着什么？

《自然》杂志去年发布的调查深入探讨了物理学家对量子力学的看法。在1100多名受访者中，关于量子理论揭示的宇宙本质，各方观点莫衷一是。当被问及波函数时，仅36%受访者认同波函数代表现实。

主流波函数理论“哥本哈根诠释”认为，波函数代表测量时“坍缩”为单一现实的未来可能性。“多世界诠释”则主张量子测量的所有可能结果都是真实的，它们同时存在于平行宇宙中。第三种“导波理论”认为波与粒子是分离实体，由波引导粒子运动路径。这些理论均未获得物理学界的多数支持。

量子力学理论的终极目标

理解研究者对量子力学的多元观点，需要了解指导他们的不同科学哲学。许多人搁置解释，仅关注结果。

“多数人将量子理论视为获取预测的配方，”圆周研究所驻校博士生安萨内利解释，“若你认为科学理论的唯一目标就是获得预测，那你属于操作主义或经验主义阵营。”

即使在量子基础领域，这两大阵营也并存。并非所有量子基础研究者都是科学实在论者，许多操作主义者也致力于深化对量子理论的理解。

对安萨内利而言，科学目标不仅是预测现象，更要理解本质原因。“我认为把握真实的基础现实可能引领我们发现新理论，比如真正理解量子引力等问题。”

“我不愿简单说量子现象很怪异，”她表示，“我想要理解它。”

划定量子与经典的边界

寻求清晰量子理论解释的研究者，一条前景光明的路径是精确界定量子世界与经典世界的分界点。

“我们采用双管齐下的方法：通过构建显式经典模型排除某些'怪异'现象；同时根据合理定义，证明剩余量子现象确实具有非经典性，”施密德说，“目前大量现象尚未明确归属。”

研究人员使用“玩具模型”工具检验现象。这种模型能构建不含量子力学的宇宙，仅用经典原理定义世界。研究者随后尝试在玩具理论中用经典规则重现量子现象。

玩具理论能促使研究者思考“怪异”现象的量子解释替代方案。但它们只是探测量子力学的工具，并非现实写照。“模型无法扩展至重现所有可能现象，”施密德指出，“它只能复现那些被声称足以涵盖量子怪异性的特定现象——而我们证明这些孤立现象完全可以被理解。但若综合考量所有现象，经典解释就无能为力了。”

这引向施密德研究的下一阶段：筛选无法用经典理论解释的现象。“某些量子现象确实抗拒经典解释，”他表示，“不仅因为我们找不到解释方法，更因为我们已证明——在给定假设下，这些现象永远无法获得经典解释。这是不可能的。”

例如经受住检验的贝尔非定域性现象：对两个相隔甚远的纠缠粒子进行测量时，结果会显示出非经典性的定量特征。

“我们正试图建立严格定理，精确识别那些真正怪异的现象。”

超越量子“食谱”的必要性

“量子理论诞生时包含大量抽象数学符号，它们足以支持预测。但从未明确说明存在哪些实体及其属性，”施密德解释道，“从这个角度看，就能意识到我们还有多少工作要做。”

施密德指出，完善的量子理论将消除争议与困惑。为此，量子理论必须首先明确所谓“本体论”，继而阐明“动力学”。

“本体论需精确规定存在的实体，”施密德说明，“是粒子？是波？还是其他事物？它们具有什么属性？”而动力学则解释量子系统及其属性如何随时间演化。

解释量子理论不仅关乎巩固对量子世界的理解，更对其他领域应用至关重要。“我们尚不知如何将量子理论应用于引力、因果推断或机器学习，”施密德表示，“量子理论对这些科学领域有何影响？这仍是悬而未决的问题。”

填补量子”食谱卡“背后物理原理的探索仍在继续。“我们终将构建出更具说服力的完善理论，”施密德坚信，“这正是我们努力的方向。”