2022年已经来到尾声，这一年发生了太多对人类社会产生深刻影响的大事件。其中物理学领域的大事件，毫无疑问就是2022年的诺贝尔物理学奖授予了法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所做出的贡献。
量子信息科学，贝尔不等式，纠缠光子。。。光看这些名词就知道这都是大神们研究的领域，普通人能说上一两个名词就够吹半年的，更别说是理解了。
事实上也的确如此，尽管我们已经来到了2022 年，还真没有哪个人敢说已经理解了量子力学，一个都没有。
关于量子力学量子纠缠的科普，网上有很多，五花八门各个方向的都有：有讲纯理论的，有讲实验的，有讲哲学的，有讲玄学的，还有讲宗教的。今天笔者要扒的，是一个我们普通人更想知道答案的问题。
——这个世界的本原到底是什么？
而量子力学的深入研究，最终将给我们带来一个科学的答案。
人类文明发展到今天，无论是理论还是应用，都到了一个相当的高度。我们已经能够用纳米级别的工艺制作无比复杂的集成电路，我们可以制造出比人类智慧还要先进的人工智能，在工程技术方面的发展更是突飞猛进。
然而相比之下，我们对宇宙的认知却还是少得可怜，我们甚至还远没有达到能够掌握太阳系的程度，更别说浩瀚的宇宙。
就连关于组成宇宙的本原是什么，这样一个最基本的问题， 我们探索争论了数千年也依然没有找到最终答案
—— 世界的本原是物质，还是意识，或者是二者皆有？
我们在唯物论中学过，物质是世界的唯一本原；但纵观人类科学哲学发展史，总不乏有唯心论者认为意识才是世界的本原。
就拿唯心论来讲，核心的观点是，世界之所以是我们看到的这个样子，是因为意识的作用——
贝克莱说，“存在就是被感知”；
马赫说，“物体是感觉的复合”；
皮尔士说，“物是经验的效果”；
詹姆士说，“世界的本原是'纯粹经验’”；
杜威说，“世界是我的观点，我的活动，我的经验”；
陆九渊说， “宇宙即是吾心，吾心即是宇宙”……
直到近代量子力学的出现，尤其是量子纠缠现象被实验证实，让我们对世界本原的探索进入到一个全新的理论阶段。
从此，世界本原是唯心还是唯物这个哲学问题，正式进入了自然科学研究的范畴。
笔者将在本文带大家进入神奇的量子世界，认识一下量子力学的独特魅力，以及它究竟是如何帮助我们触摸到世界本原的。
量子的诞生
量子力学，是针对经典力学而言，量子力学从它诞生那一刻起就是颠覆性的。
100多年前的19 世纪末，那时的物理学家们普遍认为物理学已经来到了尽头，人们对宇宙规律的掌握已经到了融会贯通的程度，经典物理学的大厦已经搭建完工。
在牛顿力学基础上，分析力学理论形式完美，历经两个世纪的考验屹立不倒；热力学规律以及经典统计力学基本完善；加上麦克斯韦方程组预测的电磁波的发现，电磁理论一统辐射物理天下，这三者构成了经典物理的三大支柱。
于是，19世纪最后一天，一群著名科学家们齐聚一堂，开了个“总结旧世纪，展望新世纪”大会，自恋的宣布：物理学已经被我们研究得差不多了，天上飞的水里游的地上跑的，大到星系小到原子，都被我们的理论体系覆盖，后人们只要吃现成就行，都不需要搞什么科学研究了。
原话是这么说的：物理学大厦已经落成，就剩下一些敲敲打打的修饰工作，美丽而晴朗的天空只被两朵乌云笼罩。
然而，刚刚进入20世纪，科学界就被打脸了，普朗克在研究其中一朵“乌云”——“黑体辐射”问题时发现了能量辐射的非连续性，以及著名的普朗克常数（能量的最小单位），即——量子（不可再分最小单位）。
1900年12月24日，普朗克在德国物理学会的圣诞会上，宣读了题为《关于正常光谱的能量分布定律》的论文，文中给出了根据玻尔兹曼给定状态概率的思路推导出来的黑体辐射公式，在对此公式作出解释时他指出：“能量在辐射过程中不是连续的，而是像一股股的涓流似的被释放。”
于是，普朗克把量子的概念第一次引入到科学研究，迈出了从连续到量子化具有历史意义的一步， 1900年12月24日也就被称为“量子力学诞生日”。
可以说，量子和非连续能量辐射的发现，直接颠覆了经典力学大厦的根基。
光的波粒二象性与物质波
1905年，爱因斯坦在研究光电效应时提出了光量子的理论。他认为，光是由一组离散的光量子所组成，而不是连续性的波动。這些光量子如今被称为光子，其能量公式就是我们熟知的E=hν。
光量子的发现同样颠覆了人们自牛顿，惠更斯年代以来就一直争论不止的粒子，波动两派观点。 原来光既有波动性也有粒子性，这就是著名的波粒二象性。
1924年，德布罗意发表论文提出，粒子同样拥有波动性，其波长与动量p成反比，以方程式表示为：
λ=h/p
這个理论称为德布罗意假说，这个假说把光的波粒二象性推广到电子等微观粒子上，一切粒子也同时具有粒子性和波动性。
这就是德布罗意的物质波。
薛定谔波方程与态叠加原理
1926年，埃尔温·薛定谔从德布罗意的波粒二象性得到启示：既然粒子具有波动性，那么必定存在可以用波动方程描述粒子的波动行为。
这就是著名的薛定谔方程，量子力学的一个基础方程：
∂Ψ(x,t)/∂t=−ℏ/22m*∂2Ψ(x,t)/∂x2+VΨ(x,t)
我们不需要知道这个函数的具体数学含义，只需要知道：
薛定谔方程统一描述了粒子的波动性与粒子状态，其表现是一种概率波，是粒子关于时间的概率分布。
其中，ψ(x) 完全描述了具有一个自由度的粒子的状态。所以，波函数也称为“态函数”。
一个微观粒子的所有特征，包括位置、动量、能量、能级、自旋等性质，这些性质我们称为“态”，而“态”可以用波函数完全描述。
“态叠加原理”可以认为是“波的相干叠加性”与“波函数完全描述一个围观体系的状态”两个概念的概括。
用能听懂的话解释：粒子的某个态并不是处于非此即彼的值，而是彼和此两种状态的概率叠加（两个状态概率相加=100%），是遵循波函数的一种概率分布。只有当测量以后，叠加态才会坍缩成为一个确定的状态，非此即彼。
写到这里乔叔自己都要被文字绕晕了，举例说明：比如电子的自旋在某个方向上有正和反两个值，如果按照经典粒子的理解，一个电子要么就是正自旋，要么就是反自旋，不可能既正自旋又反自旋； 而一个处于叠加态电子恰恰就是这样，是一种既正自旋又反自旋的叠加状态（比如，在某个时刻80%概率正+20%概率反） 。
注：我们用宏观世界的常识去理解态叠加会非常困难，下文中的薛定谔猫就是把量子叠加态传递到宏观世界的一个思想实验，可以帮助读者理解叠加态的不可思议。
量子力学中观测结果的不确定性正是由于态的叠加引起的。
测不准与不确定性原理
波粒二象，概率波与态叠加听起来就已经让人迷糊了，然而这才刚开始而已，量子力学领域接下来的发展越来越刷新我们所谓的常识。
1927年，维尔纳·海森堡发表论文《论量子理论运动学与力学的物理内涵》，并给出一个论述：粒子的位置与动量不能同时被确定，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。对于不同的场景，不确定性的内涵也不一样，它可以是观察者对于某物理量值的信息的缺乏程度，也可以是对于某物理量值的测量误差大小，或者是一个对于类似制备的系统所具有的统计学扩散数值。
这个原理被称为“海森堡不确定性原理/ uncertainty principle”。
类似的不确定性关系式也存在于能量和时间、角动量和角度等物理量之间，不确定性原理是量子力学的重要的基要公设之一。
注：不确定性原理与测不准原理是同一个原理，早期翻译为“测不准原理”，由于不确定性其实是量子态自身的一种基本现象，而不是由测量决定的，因此为了避免歧义，近年来改译成不确定性原理。
经典力学与拉普拉斯妖
到这里读者们对量子现象的烧脑已经有了大概了解，但是，我们不是要讨论世界观的问题吗？量子现象跟我们的唯物世界观又有什么关系呢？
这就要提到经典力学留给我们的一道宇宙级难题。
在量子力学诞生之前的19世纪末，经典力学体系已经搭建完毕，利用分析力学，热力学和电磁学三大支柱的力学，人类已经可以计算几乎所有当时已知的运动，似乎已经掌握了宇宙运行的规律。
宇宙中的一切运动都是可以计算的，听起来很牛掰是不是？ ——其实，这同时也是一个细思恐极的悖论。
大神牛顿晚年专注研究神学和上帝，很多人对此不解，作为经典力学的奠基人，集大成者，不研究科学反而研究神学，这是个什么鬼？ 其实这恰恰是符合逻辑的，牛顿正是因为意识到一切运动都是可以计算的，而这将导致一个唯物世界的灾难性的推论——决定论（宿命论）。
试想，如果宇宙中所有物质和运动的轨迹都是遵循规律且可以计算的，那么我们知道了现在的状态，也就可以计算出将来任何时间的状态；反之，我们现在的状态也是由过去的状态决定的；那么，宇宙的现在和将来都是由宇宙诞生时的状态决定的，也就是说人类的诞生，包括我们现在正在做的所有事情，都是在宇宙诞生的那一刻就已经决定了的。
这个推论是不是让人很不安？如果这个宇宙命运是已经决定的，那么这个“决定”又是如何产生的呢？ 这就是牛顿提出的“第一推动力”问题。
对此，法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯于1814年提出这样一个论述：
“我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。假如一位智者能知道在某一时刻所有促使自然运动的力和所有组成自然的物体的位置，假如他也能够对这些数据进行分析，那么在宇宙中，从最大的物体到最小的粒子，它们的运动都包含在一条简单公式里。对于这位智者来说， 没有任何事物会是未知的，并且未来会像过去一样出现在他眼前。”
拉普拉斯这里所说的“智者”便是后来我们称作的拉普拉斯妖。
量子概率论，宇宙“第一推动力”的终结者
经典力学下“第一推动力”和决定论无疑是对唯物世界观的巨大挑战，如果宇宙的命运是在一开始就已经被决定了的，那么能够决定宇宙命运的这个“第一推动力”就只能是神，这意味着造物主是存在的。
乔叔在前面铺垫了那么多篇幅介绍量子的基本特性，终于要在这里引入量子力学对唯物世界观的第一个重要贡献——它为宇宙宿命论的终结给出了一个答案。
量子力学的态叠加原理和不确定性原理告诉我们，在微观世界，一切运动都是不确定的，是按概率分布的。因此，下一时刻的精确状态永远都是不可预知的，宇宙的决定论是不存在的。
以我们都能理解的电脑游戏类别：
经典力学的宇宙系统就好像早期的固定关卡闯关游戏，地图上的所有要素跟运行轨迹都是程序设定好的，因此你在任何关卡的任何情节得到什么样的结果都是可以根据预设好的程序精确计算出来的，这就是决定论。
量子力学的宇宙系统就好像后来的RPG游戏，地图上的要素都是随机出现的，比如一个宝箱，在你没有打开之前，你永远不可能知道里面的宝物是什么，有可能是一把剑也可能是一只盾，而且剑和盾出现的可能性始终都是一直存在的，这就叫叠加态；而当你打开宝箱的一瞬间，宝物就被确定下来，要么是剑要么是盾，这就叫坍缩。
注：也正是因为量子世界的现象与游戏世界如此相似，近年来有越来越多的人开始相信，我们的宇宙可能也是个虚拟的世界。
爱因斯坦与玻尔的世纪之争，上帝掷骰子？
量子的状态值在观测之前并不存在，只有在观测之后才被确定下来。你敢相信这是科学，不是玄学？
别说你不相信，人家量子力学的奠基人之一，光量子和波粒二象性的提出者爱因斯坦同志早就质疑量子的不确定性原理了。
世界就是这样奇妙，如同电子可以分裂纠缠成两部分同时穿过两条缝隙，在量子力学的发展过程中，科学家们也分成两个持有不同看法且针锋相对的派系。
一派是以爱因斯坦、薛定谔、德布罗意为首的爱因斯坦学派（保守派）；另一派是以玻尔、波恩和海森堡等人牵头的哥本哈根学派。
注：两边都是量子力学领域大咖级别的人物，很多人误认为爱因斯坦学派反对量子力学，其实不是这样的。爱因斯坦，薛定谔都是量子力学的奠基人，怎么可能反对量子力学？双方的争论只是对量子力学中某些现象的理解不同。
比如：
爱因斯坦学派认为，微观粒子在任何时刻都有一个确定的位置和速度，我们之所以无法同时精确测量微观粒子的位置和速度，是因为量子力学理论还不够完善，这个理论还无法完全揭示量子世界的物理规律，所以不确定性其实是因为某个隐藏量还没被发现造成的。
哥本哈根学派认为，微观粒子在任何时刻都可以同时处于某个范围内的任意位置，也可以同时拥有多个速度，所以微观粒子本身就是不确定的，就是叠加态。哥本哈根学派认为我们之所以无法同时精确测量一个微观粒子的位置和速度，不是因为我们掌握的物理规律不够，也不是因为测量技术的精度不够，而是微观世界本来就具有不确定性，跟我们的测量技术无关。
爱因斯坦与玻尔的世纪之争是人类科学发展史上最伟大的争论之一，直到两人去世很多年后的今天，这场争论还在继续。
同时也留下了爱因斯坦同志的那句名言：我不相信上帝会掷骰子。
EPR佯谬，不确定性原理下纠缠粒子的“超距作用”
到这里我们已经对量子的基本特性有了一定了解，那么，如果我们考虑多个粒子之间相互作用又会怎样呢？
1935年，爱因斯坦、波多尔斯基、罗森发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完全的吗》的论文，即量子力学大名鼎鼎的EPR佯谬（Einstein-Podolsky-Rosen paradox），是爱因斯坦等人对量子力学描述不完备的批评。
EPR论文表示，任何成功的物理理论必须满足以下两个条件：
1. 物理理论必须正确无误。
2. 物理理论必须给出完备的描述。
对于第一个条件，物理理论是否正确，决定于物理理论预测是否符合实验检验结果。在这方面，EPR论文并没有给出任何评估，实际上至今为止，量子力学的预测与实验检验结果精准一致，目前看起来量子力学是正确的。
论文主要聚焦于第二个条件，物理理论的完备性。对于这论题，EPR论文首先给出两个严格定义：
完备性：物理实在的每个要素都必须在物理理论里有其对应部分。换句话说，一个完备的物理理论必须能够正确描述物理实在的每个要素。
物理实在：若在对系统不造成任何干扰的状况下，可以准确地预测（即，100%的概率）某物理量的数值，则对应于这个物理量存在物理实在的要素。
EPR论文接着描述了一个思想实验，两个相互作用的粒子（纠缠）在分离之后的物理性质。——这就是著名的量子纠缠实验。
假设两个粒子A、B在原点位置相互作用之后，以相反方向分离。根据不确定性原理，由于位置与动量不对易，无法同时确定粒子B的位置与动量；位置越确定则动量越不确定，反之亦然。
现在我们假设准确测量出粒子A的位置xa，则由于粒子A与粒子B之间相隔很远，测量粒子A不会搅扰到粒子B，根据动量守恒定律，粒子B的位置可以准确地预测为xb=-xa（100%概率），因此，按照实在性判据，对于测量粒子B的位置，必定存在物理实在的要素px。在这里，假设测量粒子A这个行为遵守定域论，另外，由于存在物理实在的要素px，遵守实在论，粒子B的位置可以被预测。类似地，假设准确测量出粒子A的动量，则由于测量粒子A不会搅扰到粒子B，粒子B的动量可以准确地预测为pb=-pa（100%概率），因此，按照实在性判据，对于测量粒子B的动量，必定存在物理实在的要素。
上面这段描述比较抽象，用人话翻译一下这个思想实验大概是这个意思：
假设一个大粒子分裂成两个同类的小粒子，且向两个相反的方向分离。根据动量守恒定律，我们测量其中一个粒子的动量，位置；自然也就知道了另一个粒子的动量，位置。如果我们同时测量A的位置和B的动量，那么在理论上，我们就可以同时知道这两个粒子的位置和动量（因为根据守恒定律，两个粒子的位置和动量是等值相反的），这说明在任何时刻粒子的位置与动量都是存在确定值的，这与量子力学的不确定性原理相悖。
因此，爱因斯坦保守学派认为，不确定性原理不是因为量子态真的是不确定的，一定是因为量子力学的不完备造成的；而玻尔哥本哈根学派的看法相反。
为什么叫做佯谬呢？因为这个思想实验以及衍生出的推论非常违反常识逻辑（自此爱因斯坦和玻尔两个人争论一生再也没能说服对方）。
第一，爱因斯坦认为通过对两个纠缠量子的分别测量，就等于可以同时知道一个量子的两个态，这与不确定性原理（测不准原理）矛盾。
第二，如果不确定性原理和叠加态成立，那么意味着我们对一个粒子的测量不仅会让这个粒子的叠加态坍缩，同时还会导致万里之外的另一个纠缠粒子坍缩。
第三，如果二成立，那么意味着两个纠缠量子之间可以完成瞬间通信（超距作用），这与定域性和狭义相对论矛盾（宇宙中的一切作用不能超过光速）。
难怪爱因斯坦同志怒了：你说上帝不仅掷骰子，还一次掷两个骰子；不仅掷两个骰子，你还可以通过这个骰子控制另一个骰子。上帝他老人家也太无聊了吧？
注：EPR佯谬对量子力学发展有重要的推动作用，著名的量子纠缠实验就是出自EPR佯谬，由于篇幅限制，这里只是稍微提一下，后面有机会笔者会单独详解。
薛定谔的猫， 将量子效应向宏观经典世界传递的思想实验
同年（1935年），薛定谔在讨论EPR悖论的过程中提出了另一个思想实验，就是大名鼎鼎的薛定谔的猫，用来描述如何将量子的态叠加传递到宏观世界中。
实验描述如下：
把一只猫关在一個封闭的铁容器中，并且装备以下仪器（注意必须确保仪器不被容器中的猫直接干扰）：
在一台计数管内放入少量放射性物质，在一小时內，这个放射性物质至少有一個原子衰变的几率为50%，没有发生衰变的几率也是50%；如果衰变发生了，则计数管放电，通过继电器启动一个榔头，榔头会打破装有氰化氢的烧瓶。
显然，一小時以后，如果没有发生原子衰变，那么猫就是活的；如果发生了衰变，机关触发，氰化氢挥发，猫就会死亡。
然而这个实验烧脑的部分在于，猫的生死对应于原子的衰变与否，而根据之前介绍过的薛定谔波方程我们知道，原子衰变与否是一个线性叠加关于时间的概率分布，于是，我们就得到了一只活猫与死猫根据概率纠合在一起的“既死又活”的猫。
我们知道，在宏观世界里是不存在既死又活的猫的，你只能得到一只死猫或者一只活猫。
薛定谔的猫向我们展示了量子世界的诡异，同时又留给我们这样的思索：在上述思想实验中，量子的叠加态在向宏观世界的猫传递过程中是什么时候发生坍缩的？猫是如何从与原子衰变的纠缠量子系统中独立开的？观察者在这个系统中的角色又是什么？
量子纠缠，一个诡辩成为现实的神奇概念。
今天看起来有点讽刺的是，“量子纠缠”概念的提出，最初并不是为了证实量子力学的，相反，是为了质疑量子力学的不完备。
爱因斯坦最初提出纠缠量子态的假设也只是为了嘲讽量子的不确定性原理下导致的超距作用而已。
薛定谔在与爱因斯坦讨论EPR佯谬的时候最先使用了术语Verschränkung（他自己翻译为“纠缠”），这是为了形容在EPR思想实验里，两个初始耦合的粒子，不再耦合之后彼此之间仍然维持某种关联的奇异现象。
不久之后，薛定谔发表了一篇重要论文，对于“量子纠缠”这个术语给出定义，并且研究探索了相关概念。薛定谔认识到这个概念的重要性，他表明，量子纠缠不只是量子力学的某个有趣 的性质，而是量子力学的特征性质；量子纠缠在量子力学与经典思路之间做了一个完全切割。
看到没，“量子纠缠”这个今天听起来如此高大上，并且被认为是量子力学的基本特征之一的名词，竟然是诞生于保守学派的一个异想天开用来证明量子力学不完备的思想实验。歪打正着就将量子力学推向一个新的台阶，不得不佩服，牛人就是牛人，连犯个错误都这么有高级感。
当然，与爱因斯坦一样，“量子纠缠”概念的提出者薛定谔对这个概念并不买账，因为他认为量子纠缠违反了相对论中对于信息传递的速度极限（光速），这是不可能的。
这里再用人话翻译一下，量子纠缠概念的核心是什么呢？简单来说，就是两个初始耦合在一起的粒子，当彼此分开后，无论相隔多么遥远，它们之间的叠加态依然是耦合在一起的。只要其中一个粒子的叠加态发生了坍缩，另外一个立刻也发生坍缩。更重要的是，两个坍缩之后的粒子之间一定是符合守恒定律的；也就是说，两个量子在同时发生坍缩的时候就像商量好了一样，你是正的那我一定是负的，你朝左我就一定朝右。
那么它们是怎么做到瞬间“知道”彼此的状态的呢？别问，你只要知道是这样的就可以了。
玻尔对此的解释是，两个粒子在态坍缩之前，无论它们相距多远，都还是处在同一个叠加态当中，不能简单的把它们看作是两个独立的粒子。爱因斯坦同志对这个解释非常不买账，但就目前已知的实验结果来看，玻尔的理解可能是对的。对不对咱也不敢说，反正你只要知道是这样一种现象就可以了。
贝尔不等式，爱因斯坦与玻尔的最终判决
由于描述的现象过于诡异，EPR思想实验和量子纠缠从提出那一天起就一直是物理学界争论的焦点，而真正的实验室验证已经是很多年以后的事情了。
直到1964年，约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)提出了贝尔不等式，该定理在定域性和实在性的双重假设下，对于两个分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制，至此才终于将寻找量子纠缠中是否存在隐藏量的实验变成可能。
贝尔不等式： |Pxz-Pzy|≤1+Pxy
我们在这里不展开解释贝尔不等式的数学原理，总之，贝尔不等式是通过统计方法判断内在关联性的一个判定方法。
用在量子纠缠实验上，贝尔不等式可以作为局域性跟实在性的判定。就是说，如果两个粒子的态值是在观测之前就存在的，那么统计结果就应该符合贝尔不等式判定；反之，如果两个粒子的态值是在观测之后才确定的，那么统计结果就应该不符合贝尔不等式。
可能稍微有点绕，再解释一下，对于量子不确定性原理，
爱因斯坦学派/保守派的理解是，量子的态值是粒子被测量之前就存在的（客观存在），不确定性只是因为某些测量缺陷或者某些隐变量还没有发现。
而玻尔哥本哈根学派的理解是，量子的态值是在测量坍缩之后才产生的，不确定性就是量子的固有特性。
而贝尔不等式就是这样一个判定方法，统计结果如果符合贝尔不等式，则爱因斯坦学派的观点是正确的；如果不符合贝尔不等式，那么哥本哈根学派的观点是正确的。
1972年，约翰·克劳泽与史达特·弗利曼（Stuart Freedman）首先完成这个实验。1982年，阿兰·阿斯佩以该实验为题目完成论文，他们得到的实验结果符合量子力学的预测（玻尔），不符合定域性隐变量理论的预测（爱因斯坦），证实定域性隐变量理论不成立。
2022年的诺贝尔物理学奖，“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式”，就是对EPR佯谬中关于量子纠缠思想实验的验证。此时已经距离EPR佯谬和量子纠缠的提出过去了87年，两位主角爱因斯坦与玻尔都没能在活着的时候等到一个结果，不禁让人唏嘘。
注：虽然当今的实验结果证明了爱因斯坦对量子不确定性原理的理解是错的，但是依然有很多科学家支持爱因斯坦的科学观哲学观世界观，毕竟量子力学还在发展阶段，在人类没有真正理解量子世界之前，一切变数都是可能的。
测量与波函数坍缩
读到这里估计很多读者已经云里雾里了，再坚持一下，接下来我们要“坍缩”了。
波函数坍缩指的是某些量子体系与外界发生某些作用后波函数发生突变，变为其中一个本征态或有限个具有相同本征值的本征态的线性组合的现象。
波函数坍缩可以用来解释为何在单次测量中被测定的物理量的值是确定的，尽管多次测量中每次测量值可能都不同。
什么意思？同样，在这里我们不做枯燥的数学物理层面的详解，因为真的是很难懂。
还是用人话大概解释一下：
我们前面已经知道，量子世界的粒子处于一种遵循薛定谔波函数的概率分布的叠加态，这时候粒子更像处于一种波状态，一切实体都是未知的甚至可能是未生成的。
然而，当我们对粒子进行测量的时候，神奇的一刻发生了，波的形态立刻就变成了粒子，态也不再是概率，而有了一个具象的确定的值。
波函数有了一个确切的解，这就是坍缩。
坍缩，就是量子叠加态经过测量落到某个具体本征态值（即经典粒子状态），这个现象。
注：如果你还是觉得抽象也没关系，后面还有例子会讨论。有个好消息是，在这个世界上还没有人敢说自己已经搞清楚了坍缩，所以，你不是一个人。
电子双缝干涉实验， 观察者决定结果？
各位同学都是学过唯物论的，读到这里估计已经有点坐不住了，粒子状态从叠加态到经典态的坍缩是观测导致的？这怎么可能？粒子的状态不应该是客观存在的吗？不是吗？
别急，量子力学虽然玄，但不是玄学，科学要有实验证明，其中就包括了大名鼎鼎的量子双缝干涉实验。
我们知道光的衍射和干涉实验，从而证明了光是一种波。但是电子是粒子啊，衍射跟干涉又是什么东西？
还记得我们之前讲过德布罗意在1924年提出的物质波理论，任何粒子都具有波粒二象性吗？
1927年，贝尔实验室的克林顿·戴维森和雷斯特·革末，以及阿伯丁大学的乔治·汤姆逊分别发现了电子的衍射与干涉，证明了电子确实具有波动性。
1961年，蒂宾根大学的克劳斯·约恩松用电子来进行双缝干涉实验。将一束电子通过两条平行狭缝，狭缝后面的显示屏记录下电子的位置，结果显示屏上呈现出典型的干涉条纹，这跟光是一样的，干涉条纹证明了电子的波动性。
可是，电子是粒子啊，如果说一束电子具有波动性，那么我们让电子一个一个的通过双缝又会怎么样呢？—— 按常理分析，电子是粒子，单个电子通过双缝的时候要么走左边要么走右边，没有机会产生干涉，最后在屏上留下的应该就是两条线（没有干涉条纹）。
然而，实验结果却是，单个电子依然会产生干涉，也就是说同一个电子是可以同时通过左右两条缝然后跟自己产生干涉的。神奇不神奇？
于是科学家们又在狭缝后面放置一个摄像头，记录下电子究竟通过了两条狭缝中的哪一条。然而，更意想不到的结果出现了，当摄像头开始记录电子路径的时候，屏幕上的干涉条纹就消失了；如果关闭摄像头，干涉条纹又出现了。
也就是说，当你不观察的时候，电子表现出波动性；而当你观察的时候，电子就变成粒子了，好像电子“知道”你是不是在观察它一样。
实验升级，延迟选择实验与量子擦除实验。
延迟选择实验
量子双缝干涉的实验这还没有完，我们不得不佩服科学家们的脑洞。
1979年，惠勒在美国普林斯顿大学纪念爱因斯坦诞辰100周年讨论会上正式提出延迟选择实验，该实验源自爱因斯坦曾提出的分光实验。
实验如下：从一个光源发出光子，让其通过一个半镀银镜，光子被反射与透射的概率各为50%。然后，在反射和透射后光子的行进路径上分别各放置反射镜A和B，使两条路径反射后在C处汇合。而C处则放有两个探测器，分别可以观察A路径或B路径是否有光子。此时只有一个探测器能够测得光子，即能确定光子走的是哪一路径（A→C或B→C）。
而如果在两个探测器前再放置一个半镀银镜，可以使光子自我干涉。如果适当调整光程差，可使得在某一方向（A或B）上干涉光相消，该方向上的探测器将无法收到信号，另一方向上的探测器就必定会接收到信号。按照量子力学理论，这说明光子同时经过了两条路径。
限于篇幅，不解释过程，直接上结论。
该实验中，我们可以在光子已经通过A或B后再决定是否放置第二块半透银镜（此即实验名称“延迟选择”的由来）。
实验结果呢？
如果不放置第二块银镜，则不出现干涉条纹，光子表现出粒子性；如放置，则出现干涉条纹，光子表现出波动性。
也就是说，光子不但知道你在观测它，而且提前就知道你是不是要放置反射镜；反过来说，你的观测不仅可以决定光子走过的路径，甚至还可以决定光子在你观测之前走过的路径。
量子擦除实验
1982年，物理学者马兰·史库理（Marlan Scully）与凯·德鲁（Kai Drühl）提出了量子擦除实验的设计，他们声明，假设测得粒子的路径信息，则观察不到干涉图样，不管是否干扰到粒子；但是，假设能够用某种方法擦除路径信息，则干涉图样又会被观察到。1991年，史库理、柏投·恩格勒（Berthold Englert）与贺柏·沃尔特（Herbert Walther）给出这实验的实现方法。后来，物理学者又设计出很多种不同的量子擦除实验。
这个实验有三个步骤：
1.光子束通过双缝干涉仪，在探测屏产生了干涉条纹。
2.观察光子通过的是哪条狭缝，在观察时必须不干扰光子的运动，然后，探测屏的干涉条纹就会消失。这个步骤表明，“路径信息” 的存在会导致干涉条纹的消失。
3.将路径信息擦除，就可以重新得到干涉条纹。另外，不论擦除过程的完成时间是在光子被探测之前或之后，都会重新得到干涉条纹。
在该实验中，干涉条纹的可视性与路径信息是两个互补变量，你可以通过显示这个量而擦除另一个量，但是你始终不能同时看到两个变量；反过来说就是，光子就好像可以预知未来，它可以预先知道我们在它到达屏幕之后会做出什么决定，然后按照我们将来的决定，提前选择它的行为，以确保我们不能同时知道它的路径信息和干涉条纹。
观测坍缩，意识可以决定物质吗？
聪明的读者们读到这里估计彻底不淡定了，以上实验的结果似乎都表明粒子所表现出来的状态似乎跟观测息息相关，更玄幻的是，粒子还能根据观测方式的不同选择自己的行为，似乎粒子能知道甚至预知你是否要观测它，怎样观测它。这难道是说，观测与否这种主观意识可以决定粒子的物理状态？真的是这样吗？
当我们开始这样思考的时候，就引入量子力学对世界观的又一大贡献，对于唯物还是唯心这个哲学问题，我们似乎在微观世界第一次找到了一个科学方法去验证。
我们在这里先不考虑上面这些实验背后隐含的自然科学原理是什么，单就从宏观结果上来看，会让人觉得主观观测行为确实决定了粒子的最终状态，于是就又来到了这个哲学问题：
——究竟是因为你看到它这样，所以它才是这样的（意识决定物质）；还是因为它本来就是这样，所以你才会看到它这样（物质决定意识）？
要理解这个问题，我们首先要理解什么是物质，什么是意识。
说起来还有些好笑，人类关于唯心还是唯物这个问题争论了几千年争得你死我活不可开交，但是即使到了科学高度发达的今天，我们依然不敢说已经完全搞清楚了什么是物质，什么是意识。
比如聪明如爱因斯坦，究其一生也没搞明白光子到底是什么。
我们姑且认为标准模型的61种基本粒子加上各种场就是宇宙中所有物质的构成。
那么意识又是什么呢？——
狭义上，意识就是指人的大脑意识，也就是——“我”。
广义上，我们可以认为是信息交互和反馈能力，能力越强代表意识越强。
比如我们这样类比判断：动物有意识吗？细菌有意识吗？病毒有意识吗？石头有意识吗？地球有意识吗？电脑有意识吗？人工智能算意识吗？…….
再回头看量子实验，首先，粒子的观测坍缩是由观测者即人的主观意识（狭义上的意识）决定的吗？这个问题其实属于哲学跟玄学的范畴，作为一名拥有科学观的作者，乔叔在本文主要探讨科学部分，这个问题留给聪明的读者自己思考。
那么广义上的意识呢？要搞清楚这个问题就要先搞清楚粒子从叠加态到本征态的坍缩（波函数坍缩/观测坍缩）究竟是如何发生的。
—— 不幸的是，我们到现在也还没有完全搞清楚坍缩究竟是如何发生的；幸运的是，量子力学经过几十年的发展，我们已经知道了足够多的信息来探讨这个问题。
量子退相干，为什么我们在宏观世界中看不到量子态？
相信大部分读者们跟乔叔一样，打心底看不起唯心主义者，觉得他们很荒谬，肯定不如唯物主义者们聪明。——其实未必。
比如我们来看看“意识坍缩”的始作俑者，这位老哥就是冯诺伊曼，没错，就是我们的计算机之父。
冯诺伊曼在详细分析观察坍缩的过程中发现，所有的叠加态在观测的过程中都会保留下来，然后最后的观测结果却总是确定的（没有叠加态）。经过他的仔细分析，他只能消解掉其中的物理部分，而剩下的未消解的部分，被他归结为“非物理”，即意识。这就是意识坍缩理论。
也不知道是不是这位大神从这个唯心论中得到了启发，竟然就设计出了电脑的原型。
当然，冯诺伊曼的意识坍缩只是对坍缩的一种解释，这里我们只做引用，并不是说他的解释就是对的。
如同其他很多革命性物理理论的产生一样，量子力学到了这里，就进入到了纯数学分析的阶段（注：很多物理理论都是先有了数学公式，然后很多年后才有了实验验证，而近代关于基本粒子，引力和量子力学的弦理论，超弦理论，10维空间，意识选择，平行宇宙等等都是纯粹的数学和理论模型）。
其中，量子退相干就是从量子力学理论和数学公式推导出的量子态进入开放环境的过程。
1970年，德国物理学家汉斯·泽贺最先提出量子退相干的概念。1981至1982年之间，波兰物理学者沃杰克·祖瑞克在《物理评论D》发表了两篇关键性论文，他指出经典系统会自发的将所包含的量子相干性传导至环境中，因而导致量子退相干的效应，在处理波函数坍缩问题时，不能够忽略这个效应。祖瑞克的两篇论文使量子退相干成为热门量子议题。1984年，祖瑞克推导出估算量子退相干时间尺度的公式，可以很容易地对于一般量子系统进行相关估算。隔年，泽贺与学生艾瑞曲·犹斯共同给出一个模型，能够详细地描述因环境粒子散射而产生量子退相干的全部过程。
作为一种研究微观世界如何向宏观世界过度的理论，量子退相干已经逐渐成为量子力学领域热门研究方向之一。
在量子力学里，开放量子系统的量子相干性会因为与外在环境发生量子纠缠而随着时间逐渐丧失，这个效应就称为量子退相干（英语：Quantum decoherence），又称为量子去相干。量子退相干是量子系统与环境因量子纠缠而产生的后果。
由量子相干性而生的干涉现象会因为量子退相干效应而逐渐消失，这就是为什么我们在宏观世界不会观察到干涉条纹。
同样，因为量子退相干，现实中，薛定谔的猫不会处于“既死又活”的量子态。
量子退相干促使系统的量子行为变迁成为经典行为，这过程称为“量子至经典变迁”（quantum-to-classical transition）。
这里一个重要的概念是，宏观世界是一个开放环境，而描述叠加态的薛定谔波函数只适应于孤立系统，这在宏观世界中是不存在的，因此叠加态不会存在于宏观世界中。
希尔伯特空间，我们所认知的宇宙本身就是某一个巨大的纠缠态系统？
回头再看量子态的观测坍缩，为什么量子在不观测的时候处于一种不确定的，随机的，叠加的不可知量子状态，而一旦进行观测就坍缩成唯一的，确定的经典状态？这跟主观意识有关系吗？（你猜）
我们可以这样去理解叠加态的本质，虽然我们从经典思维很难理解那是怎样一种状态，如果单从数学上看，就是两个本征态（两个不同纬度）的矢量叠加。比如中学数学我们都学过复数，复数就是实部和虚部的矢量叠加，这在数学上是有意义的，但是在现实世界中，虚数是没有意义的。
类似的，当我们用波函数表达量子态的时候，叠加态是有意义的，而当我们去测量的时候，就一定会得到一个确定的值。我们的观测行为并不一定改变了系统的物理进程，而仅仅只是更新了我们的认知过程，“坍缩”，就是我们从外界获得观测信息后的更新。微观粒子经过经典仪器把信息传递给观察者，经典仪器在这里起到类似语言翻译的的角色，而观察者得到的，必然是一个经典状态。
——乔叔解释到这里，交给你来定义，这个过程是唯心还是唯物？
如果我们再引入希尔伯特空间的描述，那么至少在数学上，量子叠加态就有可能是多维空间和平行宇宙的表现。
根据希尔伯特空间的张量积表达，纠缠态是不可再分的。也就是说，纠缠态的态矢量是一个最基本的不可再分的单位。如果我们这样去考虑纠缠态粒子的超距作用，就变得可以理解了，因为纠缠态本来就是一个不可分割的单位，你不能把它看成两个独立状态的叠加（这就是为什么我们从经典世界观很难理解纠缠态的原因）。
聪明的小伙伴肯定要问了，两个相隔亿万公里粒子处于同一基本态单位，这怎么想都觉得不靠谱吧？这不可能！——其实未必不可能，首先，宇宙是一个开放环境，没有绝对孤立系统，两个纠缠态粒子想一直处于纠缠态而不发生退相干几乎不可能；其次，我们对距离和空间的概念本来就是由观测产生的，万一，如果，空间和距离原本就是不存在的呢，只是观测的一个表象呢？
而我们对粒子观测的过程，简单来说，就是粒子与仪器发生纠缠态，然后仪器再与观察者发生纠缠态，这样把信息从粒子传递到仪器再传递到观察者的那一部分。由于纠缠态是不可再分的，因此当我们观测的时候，就已经进入纠缠系统成为其中的一部分，不再是一个独立于系统之外的观察者，那我们得到的信息就是这个系统内退相干之后的信息，不再是观测之前孤立系统的叠加态，这也许就是观测坍缩的真正含义。
至于叠加态的粒子在坍缩之后有没有其他本征态信息进入到其他纠缠态系统而没有被我们观察到呢？这个就很难说了，只能说在数学上这是有可能的，也就是进入到希尔伯特多维空间中的其他空间中了，也就是我们通常说的平行宇宙。
注：多维空间和平行宇宙是数学工具的推论，在现实世界也许存在也许不存在，跟神一样，是一种无法证实也无法证伪的存在。
我们再看开放环境（宇宙）的退相干效应，其实叠加态的坍缩并不是只有在观测以后才发生的，粒子的量子态会通过环境中的物质不断的纠缠传导到环境中去，于是，最终我们看到的宏观世界本身就是无数量子纠缠之后的产物，叠加态在这个开放系统是不可能孤立存在的，也或者是因为我们已经处在一个巨大的纠缠态系统（宇宙）之中，孤立的叠加态在这个系统（经典宏观世界）已经没有任何意义。
这就是量子力学将给我们的世界观带来的巨大意义。量子法则有可能让我们最终搞清楚这个世界是如何构建的（物质），以及我们的认知是如何构建的（意识）。
遇事不决，量子力学
“遇事不决，量子力学”，这当然是句调侃，其实量子力学确实也跟玄学占卜有点像，都是一门研究概率演变的学问。
广义相对论刚面世的时候，学术界曾经流传这样一个梗，据说世界上只有两个半人懂相对论，爱因斯坦当然是一个，爱丁顿算一个，剩下的加起来也只能算半个。
到了量子力学这个梗就更进了一步，费曼说：这个世界上没人懂量子力学，如果有人说他懂了，那他一定还没懂。
我们常听说，“科学的尽头哲学，哲学的尽头是神学”。
这句话并不是没有道理的，科学更多是研究how而不是why，科学研究是建立在一系列的公设，公理之上的。而公设为什么一定是这样？那就是哲学研究的范围。同样，哲学最根本的是定义，定义为什么一定要这样？那就只有“神”知道了。
很多时候，当我们在最前沿的科学研究中发现了一些突破性的成果，往往哲学家们甚至神学家们在几千年前单靠纯粹的大脑思维就已经发现了类似的结论。
从量子力学本质上来看，所有粒子的原本状态都是波，波就是场的作用。因此，物质也好意识也好，也许根本都不是物理存在的，物质也许只是场的相互作用所表现出来的一种状态，意识只是对场的相互作用的一种反馈。
希格斯场，作为宇宙背景的量子场，是场作用的容器。
而光，作为一种最基本的电磁场波，是一把丈量场作用的尺子。正是有了希格斯场这个容器和光这把尺子，我们这个宏观宇宙才有了质量，空间和时间的概念。这就可以解释为什么光是没有质量且相对应任何参考系都是恒速，因为光是比质量，时间，空间更基础的一种场作用。
这种构建宇宙的模型我们可以套用《道德经》的世界观：
道生一，一生二，二生三，三生万物。
道，指的是量子规则；一，指的是场波；二，指的是物质（场作用的状态）和意识（场作用的反馈）；三，指的是光，时空和质量；万物，指的是我们所在的这个可观测的宇宙。
这并不是迷信，而是量子力学终将带给我们对世界认知的革命性的更新。
最后，关于2022年诺贝尔物理学奖量子纠缠的实验证明，我们来开个脑洞。
也许量子纠缠的非局域性作用（超距作用），告诉我们空间和距离在这个宇宙中并不是客观存在的；也许我们观测到空间和距离只是因为光/电磁波这把尺子带来的作用效应；也许我们感知到空间的三维（而不是四维或者更高）仅仅只是因为我们所处的这个宇宙（纠缠系统）中基本粒子的基本空间态征只有三个维度而已。
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