作者：钱维宏，北京大学物理学院

量子力学是现代科学中最成功的实用性理论之一，它不仅奠定了现代物理学的基础，更深刻影响着我们的日常生活。从计算机芯片到医学成像设备，从激光技术到核能发电，量子力学的应用无处不在。然而，尽管量子力学以统计形式为核心的数学公式与实验验证都无比精确，它所描述的微观世界却充满了神秘与悖论。正如爱因斯坦所言：“上帝不掷骰子”，但他也承认，量子力学背后隐藏的现实让他“至死不渝地感到不安”。

2025年7月31日，《自然》杂志发表了一篇题为《量子力学对现实有何说法？首次大规模物理学家调查发现解释存在冲突》的文章，揭示了物理学界对量子力学本质的分歧仍然巨大【1】。文章指出，尽管量子力学已诞生百年，物理学家们仍无法就其背后物理现实的本质性动力学描述达成一致。这场争论不仅涉及科学问题，更触及哲学与世界观的层面。现在，我们就来探究量子力学的神秘之处。

一、量子力学的起源与发展

（一）量子力学的诞生

量子力学的诞生可追溯至1900年，当时德国物理学家马克斯・普朗克为解决“黑体辐射”难题，提出了“能量量子化”假说。这一假说认为能量并非连续存在，而是以离散的“量子”形式传递，成功破解了经典物理学无法解释的黑体辐射困境，标志着量子论的正式诞生。随后，1905年爱因斯坦提出“光量子”理论，完美解释了光电效应；1913年尼尔斯・玻尔提出原子模型，结合量子化概念阐释了氢原子光谱的规律。这些早期理论为量子力学的发展奠定了坚实基础。

（二）量子力学的数学体系

1925-1926年，维尔纳・海森堡与埃尔温・薛定谔分别建立了量子力学的数学体系——矩阵力学与波动力学，后来两者被证明等价。1926年，马克斯・玻恩提出波函数的概率解释，指出波函数的平方代表粒子出现的概率。这些理论的提出，标志着量子力学迈入成熟阶段。

（三）量子力学的独特性质

量子力学揭示了微观粒子（如电子、光子）具有波粒二象性、不确定性、叠加态等独特性质。这些性质与描述宏观物体运动的经典力学截然不同，彻底重塑了我们对物理世界的传统认知。

二、量子力学的三大主流解释

（一）哥本哈根解释：观测决定现实

哥本哈根解释是量子力学中最经典、最主流的解释之一，由尼尔斯・玻尔和维尔纳・海森堡于20世纪20年代提出。其核心观点是：观测之前，量子系统处于“叠加态”，即同时处于所有可能的状态中；只有当我们进行观测时，系统的波函数才会“坍缩”，从而确定一个具体状态。换句话说，观测行为本身塑造了现实。

哥本哈根解释的优点在于实用性与简洁性，为量子力学计算提供了清晰框架，使科学家能准确预测实验结果。但它也引发诸多争议：例如，它似乎暗示现实具有主观性——若没有观测者，现实是否存在？此外，它无法解释“测量问题”：观测行为究竟如何触发波函数坍缩？

（二）多世界解释：平行宇宙的诞生

多世界解释是量子力学中最激进的解释之一，由美国物理学家休・埃弗雷特于1957年提出。它认为波函数从未真正坍缩，而是每次观测时宇宙都会分裂出多个平行分支，每个分支中所有可能的结果都会实现。

例如，在一个分支宇宙中，你向左走；在另一个分支中，你向右走。多世界解释的优点是无需引入波函数坍缩的概念。但它也面临挑战：首先，它要求我们接受极其复杂的宇宙观——无数平行宇宙的存在；其次，这些平行宇宙无法直接相互作用，难以通过实验验证。

（三）认识论解释：信息即现实

认识论解释是一种较新兴的观点，认为量子力学描述的并非客观现实，而是我们对现实的认知与信息。波函数不代表现实本身，而是我们对实验结果的主观信念。这种观点强调信息的重要性，认为量子力学的核心在于信息的传递与处理，而非物理实体本身。

认识论解释的优点在于谨慎性，它避开对客观现实的假设，聚焦于我们能直接观测和理解的信息。但它也引发哲学问题：若现实仅是我们的认知，那么客观现实是否存在？这几乎已成为一个哲学命题。

三、《自然》杂志的调查：分歧的现状

《自然》杂志对15000多名近期发表涉及量子力学论文的研究人员调查揭示，物理学界对量子力学本质的分歧仍十分显著。结果显示，36%的物理学家倾向于哥本哈根解释，15%支持多世界解释，约17%认同认识论解释；此外，相当一部分物理学家支持其他解释，或认为现有解释均不够完善。

调查还发现，物理学家对具体问题的看法也存在明显分歧。例如，36%的受访者认为波函数代表某种真实事物，47%认为它只是有用的工具，8%认为它描述的是主观信念；45%认为量子世界与经典世界存在边界，45%认为不存在，10%表示不确定。

这些数据清晰显示，尽管量子力学已诞生百年，物理学界对其本质的理解仍存在巨大分歧。这种分歧不仅涉及科学问题，更触及哲学与世界观的层面。

四、正交碰撞理论：新的视角

正交碰撞理论为理解量子力学提供了新视角，其核心观点是：量子系统的演化可视为多个量子态之间的正交碰撞与相互作用。这些量子态可看作量子系统的不同“侧面”，它们在相互作用中反映出新旧量子世界的转化。

（一）正交碰撞理论的基本概念

正交碰撞理论的核心是量子态正交碰撞的概念。在量子系统中，两个处于不同态的粒子间可发生多角度碰撞，其中正交碰撞（90度角）后形成的新物态能量密度最大【2】。新物态中量子的能量更高，表现为每个粒子都处于加速运动状态，既具有径向的膨胀力，也具有弯曲运动的向心力。其中，膨胀力对应新宇宙仍在发生的加速膨胀，向心力则对应类似地球等天体的自转与公转运动。

以简单的双缝实验为例：在正交碰撞理论中，电子的波函数可看作单个粒子运动中膨胀力（直线加速运动）与向心力（曲线运动）的叠加。当大量电子通过双缝时，这些量子态中的粒子会发生碰撞与相互作用，进而产生干涉现象。这种解释既避开了波函数坍缩的神秘性，也无需引入多世界解释中的平行宇宙，更为简洁直观。

（二）正交碰撞理论与量子力学的解释

正交碰撞理论为理解量子力学本质提供了新视角：它既避开了哥本哈根解释中波函数坍缩的神秘性，也避开了多世界解释中平行宇宙的复杂性。此外，它强调量子系统内部的动态性与相互作用，为理解量子力学本质提供了新思路。

例如，哥本哈根解释将波函数坍缩归因于观测行为，引发诸多哲学争议；而在正交碰撞理论中，波函数的演化被视为量子态中粒子间的碰撞与能量传播，这种解释更显自然与直观，强调的是量子系统内部的动态相互作用，而非依赖观测行为。

（三）正交碰撞理论的可实验性

正交碰撞理论的重要特点是可通过实验验证。通过设计特定实验，我们可观察量子态中粒子间的碰撞与相互作用。例如，在量子隧穿实验中，正交碰撞理论可预测隧穿粒子概率的变化，这一预测可通过实验验证；此外，它还能解释量子纠缠等现有实验现象，为纠缠态的形成与演化提供新解释。这些实验验证将为正交碰撞理论提供有力支撑。

五、量子力学的本质：从碰撞到新物态

（一）量子力学的本质是碰撞

量子力学的本质或许是描述粒子间相互作用，即加速碰撞的过程与结果。碰撞描述了粒子在相互作用前后的状态变化，以及质量向能量的转化【3】。量子力学的广泛应用正是基于粒子间的碰撞结果，而粒子加速正交碰撞是其中的特例，能形成最大的能量密度。例如，电子束通过双缝时，粒子因弯曲运动像波一样产生干涉条纹，而粒子因径向加速运动呈现“落点”特征——这一现象打破了经典物理学中“粒子”与“波”的绝对界限。

（二）叠加态与观测坍缩

著名的“薛定谔的猫”思想实验用宏观场景比喻叠加态：未打开盒子时，猫处于“生”与“死”的叠加态；观测后状态才确定（即“坍缩”）。这类似于单摆的动能与势能——存在两个极端状态，而某一瞬时则是两种状态的叠加。打开盒子或进行测量，相当于外力与量子（或单摆）发生碰撞，其结果便形成了新状态下的物态（即所谓的“坍缩”），此时新状态中粒子的能量与动量已不同于之前的量子状态。

（三）量子纠缠与新物态

两个或多个粒子相互作用后，其新量子状态会“纠缠”在一起，无法单独描述每个新粒子的状态，只能描述整体。从正交碰撞理论来看，两个或多股粒子相互作用（即碰撞）后，会形成新的量子态。新旧量子态的质能总量相等，但新量子态中单个粒子的物理特征无法单独描述。碰撞后，新粒子无论相距多远，都具有新状态下的共同特性（如新粒子具有两个分量力的加速度），这便是爱因斯坦口中“幽灵般的超距作用”的表象。

六、量子力学的不完备性与隐变量

（一）量子力学的不完备性

量子力学的不完备性在于它缺乏对粒子正交碰撞的理论解释。不同加速度（能量）的粒子间碰撞形成的新物态，其能量密度和新粒子的加速度均与碰撞前的不同【4】，即新粒子的光速与碰撞前旧粒子的光速不同。

测量一个粒子，相当于测量仪器上的粒子与被测量粒子发生碰撞，碰撞结果会形成新粒子。新粒子间具有相同特征，且其瞬时速度必然超过碰撞前粒子的速度（即新粒子超光速）。这种碰撞前后的两种状态与现象是客观存在的，经典物理学无法解释，而现有量子力学也仅解释了部分现象，未揭示其背后的物理本质。

（二）爱因斯坦的隐变量理论

爱因斯坦将量子纠缠中的关联现象称为“幽灵般的超距作用”，本质上是对量子力学“非局域性”的质疑。这种质疑并非否定现象本身，而是源于他对物理学基本逻辑的坚守，以及对量子力学“完备性”的深刻怀疑。

爱因斯坦尊重客观事实，他通过坐标变换的数学推导出无动力描述的质量与能量相互转化（狭义相对论），但正交碰撞理论得出的是单向转化【3】，他又用几何数学方法将引力解释为时空弯曲，发展出广义相对论【4，5】。尽管他的探索仍有深化空间，但他始终不相信无原则的超距作用，也不认可违背因果逻辑的理论。

爱因斯坦得出结论：量子力学没有完整描述物理实在（现象），必然存在尚未发现的“隐变量”。而这一“隐变量”或许就是粒子正交碰撞产生的新物态——当一个质量力对另一个粒子进行测量时，粒子间会发生碰撞，形成新物态，也就是所谓的“坍缩”现象。

七、量子力学的未来：探索与希望

尽管量子力学已诞生百年，物理学界对其本质的理解仍存在巨大分歧。但正是这种分歧推动着科学的进步与发展。正交碰撞理论为理解量子力学本质提供了新视角，它既避开了哥本哈根解释中波函数坍缩的神秘性，也避开了多世界解释中平行宇宙的复杂性，更强调量子系统内部的动态性与相互作用，为理解量子力学本质提供了新思路。

（一）实验验证与理论完善

未来，通过设计特定实验，我们有望进一步验证正交碰撞理论的合理性。例如，在量子隧穿实验中，该理论可预测隧穿粒子概率的变化，这一预测可通过实验验证；在量子纠缠实验中，它可解释纠缠态的形成与演化。这些实验验证将为正交碰撞理论提供有力支持。

（二）量子技术的发展

正交碰撞理论不仅为理解量子力学本质提供了新视角，还对量子技术发展具有重要意义。例如，在量子计算中，它可为量子比特的演化提供新解释，优化量子算法设计；在量子通信中，它可为量子态的传输与测量提供新思路，提升通信的安全性与效率。

（三）回答量子引力的问题

正交碰撞理论通过微观粒子的正交碰撞机制，尝试用量子力学解释引力本质。该理论认为，当两个水平质量力以90度角碰撞时，会产生新的垂直矢量，其能量密度与碰撞角正弦值成正比。这种碰撞不仅能解释宇宙膨胀（引力本质是大爆炸后的膨胀力）【6】，且这种膨胀力也是量子能量的表现——因此，量子引力的本质或许是量子膨胀力。

（四）哲学与世界观的思考

量子力学的争论不仅涉及科学问题，更触及哲学与世界观的层面。正交碰撞理论提供了新框架，帮助我们理解量子力学本质，它强调量子系统内部的动态性与相互作用，而非依赖观测行为。这种新视角将助力我们更深入理解微观世界的本质，推动科学的进步与发展。

八、结语：量子力学的未解之谜

量子力学诞生已百年，但它所描述的微观世界仍充满神秘与悖论。尽管物理学界对其本质存在巨大分歧，但这种分歧也推动着科学的进步与发展。正如《自然》杂志的调查所揭示的，不同解释为我们理解量子力学本质从不同视角提供了不同片段。

正交碰撞理论为理解量子力学本质提供了新视角，它既避开了哥本哈根解释中波函数坍缩的神秘性，也避开了多世界解释中平行宇宙的复杂性，更强调量子系统内部的动态性与相互作用，为理解量子力学本质提供了新思路。

未来，通过实验验证与理论完善，我们有望更深入理解量子力学的本质；同时，量子技术的发展也将为我们的生活带来更多便利与进步。无论量子力学的本质最终被揭示为何，它都将继续激发我们对微观世界的探索与思考。

参考文献
【1】GibneyE（2025）Physicistsdisagreewildlyonwhatquantummechanicssaysaboutreality，Naturesurveyshows.Nature643:1175-1179。
【2】QianWH（2025）Expandingforceinastronomyandupdraftforceinmeteorology.JModPhys16:267-285。
【3】QianWH（2023）Aphysicalinterpretationofmass-energyequivalencebasedontheorthogonalcollision.JModPhys14:1067-1086。
【4】Qian，WH（2023）OnthephysicalnatureofEinstein’sgravitationallensingeffect.JHighEnPhysGravi&Cosm9:383-399。
【5】QianWH（2023）OntheattributionofMercury’sperihelionprecession.JAppliedMath&Physics11:1359-1373。

【6】QianWH（2024）TheessenceofgravityistheexpansiontendencyoftheUniverseaftertheBigBang.JModPhys15:804-849。

来源: 钱维宏