一项百年理论或许可以解释量子力学的问题所在

一位物理学家致力于促使科学家们研究路易·德布罗意的导波理论。

作者：蒂姆·福尔格， 编辑：克拉拉·莫斯科维茨

Yuichiro Chino/Getty Images

量子物理学

量子力学既是物理学家迄今为止构想出的最强大的理论，也是最令人费解的理论。一方面，无数实验证实了它的预测；该理论支撑着现代科技，并使我们日常使用的电子设备成为可能。另一方面，量子力学描述的潜在现实与我们感知到的世界截然不同。在量子领域，单个粒子可以同时存在于多个位置——至少在无人观察时是如此。该理论还允许存在无法解释的关联：一对原子，无论相距多远，都可以“纠缠”，使得发生在其中一个原子上的任何事情都会立即影响另一个原子。阿尔伯特·爱因斯坦将这种现象称为“幽灵般的超距作用”。

这些悖论自一个多世纪前量子力学诞生以来，就一直定义着——或者说困扰着——这一理论。时至今日，物理学家们对于量子力学究竟揭示了现实的本质仍存在分歧。是否存在多个宇宙？事物是否只有在被观察时才会产生？意识是否是物理定律的核心？如果所有这些谜团在量子力学诞生之初就能得到解答，那又会怎样呢？

伦敦帝国理工学院的物理学家安东尼·瓦伦蒂尼在他的新书《超越量子：探寻量子力学的起源和隐藏意义》（牛津大学出版社，2026 年）中提出了这样的观点。

瓦伦蒂尼认为，法国物理学家、诺贝尔奖得主路易·德布罗意大约在100年前建立了一个量子力学框架，消除了量子力学的悖论。在德布罗意的这一理论——导波理论中，粒子由伴随波引导。粒子本身始终处于一个位置，且仅存在于一个位置；正是空间扩展的导波造成了粒子同时存在于两个位置的错觉。无需观察者凭空创造粒子。尽管德布罗意在1924年提出的关于物质波动性的猜想很快被实验证实，并成为量子理论不可或缺的一部分，但物理学界却忽视或曲解了他从中获得关键洞见的更宏大的思想。

瓦伦蒂尼毕生致力于拥护和发展德布罗意的观点。他最近接受《科学美国人》采访时谈到了他孤独的求学之路，以及德布罗意的观点为何可能具有某种先见之明。

[以下为经过编辑的采访实录。]

在科学史上，是否还出现过像这样，对一个理论的含义存在如此巨大分歧的情况？

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我不确定是否存在这样的例子。如果追溯到牛顿时代，他认为空间是空无一物的，存在着直接的超距引力作用。而在欧洲大陆，笛卡尔学派（数学家兼哲学家勒内·笛卡尔的追随者）则认为：“不，空间充满了物质介质，这解释了引力的产生。” 但这场争论并没有持续太久。尤其是在量子力学领域，存在着如此之多的解释，它们对世界的描述截然不同——我认为可以相当肯定地说，在科学史上找不到类似的先例。

现代物理学最引人注目的特点之一是宏观世界和量子世界之间存在着巨大的鸿沟，这两个世界似乎分别遵循着完全不同的物理定律。你把这比作中世纪天文学家将宇宙划分为地球区域和天体区域的做法。

我认为这是一个有用且合理的类比：存在一个我们无法理解的天界；月球之上及更远的一切都是永恒不变的，与由普通、不完美且不断变化的物质构成的月球之下的世界截然不同。这种区分可以追溯到亚里士多德。它与量子力学的相似之处令人惊叹，量子系统是我们思维无法理解的。我们只能理解宏观层面的系统。

奥地利物理学家埃尔温·薛定谔发展了量子理论的波动方程，该方程将量子系统描述为随时间演化的波。这个方程在所谓的测量问题中扮演了什么角色：如果一个粒子可以同时存在于不同的位置，为什么测量结果只能在单个位置找到任何给定的粒子？

薛定谔通过从德布罗意理论中移除粒子而制造了测量问题。从数学角度来看，量子波是许多不同位置的叠加：一个粒子可以在这里、这里、这里；它可以出现在任何地方。你可以想象一只活猫和一只死猫的叠加态，或者不同能量的叠加态。它们都只是同一主题的不同变体。波动方程包含了所有可能的位置。那么，如果唯一的实在就是一个扩展的波，你又该如何解释我们看到的这个点状物体呢？

量子理论发展初期就认识到了这一难题。

以下是沃尔夫冈·泡利在1927年写给尼尔斯·玻尔的信：“在上一期的《物理学杂志》上，刊登了德布罗意的一篇论文……它思想丰富，见解深刻，远比薛定谔那些幼稚的论文高明得多，薛定谔甚至直到今天仍然认为他可以……消除物质点。”而正是因为薛定谔从他的方程中移除了粒子，我们才陷入了数十年的混乱之中。

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你认为德布罗意的理论为什么被搁置和忽视了？

我不太确定是否有一个简单的答案。也许是多种原因共同作用的结果。

1923年，德布罗意发展出一套全新的运动理论。这套理论与牛顿物理学乃至爱因斯坦物理学都截然不同，可谓彻底颠覆了以往的理论。然而，当时人们对此却完全无动于衷。物理学家们唯一记住的，仅仅是德布罗意证明了粒子可以表现出波动性。

德布罗意论文的消息传开了，但几乎没人真正读过。爱因斯坦读了。正是爱因斯坦让人们意识到德布罗意做了一件非常重要的事。他鼓励薛定谔读德布罗意的论文——薛定谔也读了。似乎大多数人从未读过德布罗意的论文。

此外，还有一点社会学上的原因：德布罗意在巴黎相当孤立。他有点孤僻，基本上都是独自工作。在20世纪20年代，法国在理论物理学领域确实处于落后地位。法国在实验物理学和数学方面很强，但在理论物理学方面却很弱。

你对导波理论的研究之路是孤独的吗？是充满成就感的吗？还是令人沮丧的？

简而言之，以上种种，甚至更多。这感觉孤独吗？情况确实很奇特。我努力想把关键点传达给物理学家们，但他们似乎充耳不闻。就好像人们陷入了循环往复的怪圈——同样的错误论点，同样的历史误解，一遍又一遍地重复着。

当我第一次接触到导波理论时，我觉得它简直太显而易见了。天哪，导波理论本质上是一个更广阔的物理学体系；量子理论只是其中的一个特例。导波理论蕴含着令人兴奋的全新物理学，或许我们还能找到它的证据。

在您的书中，您描述了导波理论对物质物理性质的预测在某些情况下与公认的量子力学预测有何不同。特别是，您提到宇宙微波背景辐射（CMB）——大爆炸期间产生的、如今弥漫于整个宇宙的辐射——可能支持导波理论的一些预测。

宇宙微波背景辐射（CMB）是一个极佳且前景广阔的研究方向，我与多位合作者在此领域开展了大量工作。已报道的CMB异常现象与导波理论预测的异常现象在性质上相符。虽然有一些令人振奋的线索，但数据噪声过大，尚无法得出任何确切结论。这个问题可能还需要十年左右的时间才能得到解决。

导波理论是真的吗？它能准确地解释世界吗？如果我知道它是真的，我就不会去研究它了。我心里总有个声音在说，这一切可能完全是错的！或者它可能只是部分正确。19世纪末，路德维希·玻尔兹曼把气体分子比作小小的台球——四处弹跳的硬球。事实证明，分子远比这复杂得多。但即便如此，他的模型仍然包含了很多真理。导波理论或许也有点像这样，只是一个近似模型。

版权与许可

蒂姆·福尔格是一位自由撰稿人，为《国家地理》、《发现》和其他国家级出版物撰稿

https://www.scientificamerican.com/article/a-100-year-old-theory-might-explain-whats-wrong-with-quantum-mechanics/

Antony Valentini, a physicist at Imperial College London, makes in his new book Beyond the Quantum: A Quest for the Origin and Hidden Meaning of Quantum Mechanics (Oxford University Press, 2026).