每个人都有自己偏爱的“经验窍门”——那些虽不明原理却能可靠解决问题的技巧。往昔人们或许会在电视画面模糊时拍打机顶，如今则可能选择重启电脑。
量子力学——现代物理学最成功、最重要的理论——正是如此。它完美解释了从激光、化学现象到希格斯玻色子和物质稳定性的诸多现象，但物理学家至今未明其原理。或者说，即便有人自认理解，多数同行也并不认同。
量子理论的独特之处在于：我们对物理系统的描述方式，与实际观测结果存在根本性差异。因此量子力学教科书必须引入“测量”或“观测”的特殊规则，这与经典物理框架截然不同。整个物理学界尚未就这一差异的成因及意义达成共识。
量子现象的早期线索见于1900年马克斯·普朗克和1905年阿尔伯特·爱因斯坦的研究。他们发现，光的某些特性若视为离散粒子而非经典电磁学描绘的连续波，解释更为合理。但这仅是雏形，未成完整理论。直至1925年，德国物理学家维尔纳·海森堡首次提出量子力学完整框架。同年，马克斯·玻恩与帕斯库尔·约当在此基础上发展，不久埃尔温·薛定谔独立提出另一理论形式。
因此，2025年堪称量子理论真正诞生百年。尽管庆典可列举众多惊人实验成就，却也必须正视未解的基础问题。量子力学如精美城堡，但需确认其地基是否稳固。
突破经典范式
自艾萨克·牛顿17世纪建立经典力学以来，物理理论遵循固定模式：研究系统（如行星绕日、电场或气体箱），其“状态”包含当前构型及变化率——对简单粒子即位置与速度（或动量）。运动方程据此预测系统演化。此模式从牛顿引力到爱因斯坦相对论均适用，但量子力学颠覆了它。
经典范式的失效源于一个激进概念：测量。科学家始终重视测量实践，但经典理论视其为理所当然——理论假设的物理量在任何情境下均有确定值，测量误差或扰动仅属实验疏漏。理论上，只要足够精密，测量可无限精确。
量子力学则不然。经典物理中，电子等粒子客观存在确定的位置和动量；量子力学中，这些量在测量前并无客观存在性。位置与动量是可观测的，但非预先存在的客观事实。这直接导致1927年海森堡提出的不确定性原理：不存在同时精确预测电子位置与动量的状态。
量子理论用“波函数”描述系统状态——薛定谔1926年提出的概念及其同名方程描述系统随时间演化。对单个电子，波函数为每个可能位置赋予一个数值，形成可局域于原子核附近或广布空间的波。
难点在于波函数与可观测量的关系。玻恩随后提出：量子测量结果无法精确预言，但可计算概率。例如电子位置的概率等于该位置波函数模的平方。此规则彻底推翻了牛顿以来确定的“钟表宇宙”理想。
有趣的是，部分物理学家迅速接受此变革，但非全部。爱因斯坦、薛定谔等巨擘不满新共识——非因不理解，而是认为规则不完备。爱因斯坦的名言“上帝不掷骰子”常被引用，但深层忧虑更根本：他重视局域性（事物通过时空邻域直接作用）和实在论（物理概念映射真实存在，非计算工具）。
爱因斯坦最尖锐的批评见于1935年与波多尔斯基、罗森合著的EPR论文，题为《量子力学对物理实在的描述能完备吗？》。他们以“量子纠缠”现象论证不完备性。单粒子波函数覆盖所有可能位置，概率由模平方决定；双粒子系统则用单一波函数描述所有联合构型。更大系统直至整个宇宙，均由单一波函数描述。
因此，一粒子位置的测量概率可能依赖于另一粒子的位置，无论相隔多远。EPR分析显示：地球上的粒子测量可瞬间影响光年外的粒子预测结果。但“瞬间”需谨慎——相对论中“同时”在远距离无明确定义，爱因斯坦深知此点。纠缠似乎违背狭义相对论，因信息传递似超光速。
然而，实际无法用纠缠通信：本地测量获得远距离粒子的信息，但远方观测者无从获取该信息，故无通信发生。但量子理论与爱因斯坦时空观的张力确实存在。
实在性之争
缓解张力的尝试繁多，共识未成。核心问题分裂如爱因斯坦与玻尔：波函数是描述实在，还是仅计算工具？爱因斯坦持实在论，要求理论描述可认知的物理实在；玻尔与海森堡则放弃探讨“真实发生什么”，专注预测测量结果，形成“认识论”诠释。
玻尔与海森堡的观点发展为“哥本哈根解释”，接近今日教科书内容。现代版本包括“量子贝叶斯主义”（QBism）和“关系量子力学”，均强调量子态需关联观测者、测量过程及知识状态变化。
认识论方法的优势是避免超光速影响争议：测量仅更新观测者知识，无物理传递。但代价是完全回避“实在本质”问题——这对物理而言至关重要，尤其波函数在双缝实验中表现出干涉特性，恰如真实物理实体。
另一种路径是“本体论”方法，视量子态为实在。但问题在于：我们仅通过波函数预言观测结果，从未直接“看见”波函数。测量后，我们视结果为实在，而非之前的概率叠加态。
本体论模型试图调和此矛盾。玻姆的“导波/隐变量”模型（1950年代）赋予波函数实在性，同时引入额外自由度描述粒子实际位置；埃弗里特的“多世界”解释中，观测者与系统纠缠，每个可能结果在波函数分支（平行世界）中实现；客观坍缩模型则允许波函数违反薛定谔方程自发调整，匹配经典观测。
尽管常被视为竞争诠释，这些方案实为不同物理理论。客观坍缩模型有可检验预言，如能量不守恒（可能在超冷原子实验中观测），但目前无证据支持。导波与多世界理论尚无实验区分手段（支持者常争论对方定义不清）。
因此，物理学家未达成共识：测量本质为何？波函数是否描述实在？是否存在波函数以外的物理变量？波函数是否恒守薛定谔方程？尽管如此，量子力学仍贡献了科学中最精确的预言，理论与实验吻合至小数点后多位。
相对论量子场论是量子力学巅峰成就，构成现代粒子物理基石。为容纳粒子创生湮灭及相对论对称性，其基础是遍布时空的量子场。量子规则下，场的小振动自然呈现粒子集合并相互作用，预言被实验强力验证——从夸克禁闭为质子中子，到希格斯玻色子（源于弥漫全空间的希格斯场振动，赋予粒子质量并解释弱核力短程性）。宇宙学暴胀理论甚至将星系起源追溯至早期宇宙的量子密度涨落。
未竟之谜
但量子场论自身也有难题。最著名的是：两粒子散射概率的量子修正常得无穷大——概率岂能无穷？现代物理通过“有效场论”应对：仅描述相对低能过程，避开无穷大。
但有效理论留下“自然性”问题：低能观测参数包含高能不可观测过程的影响。据此可预言自然参数值（如希格斯质量或真空能量密度），但实测值远低于预期——此问题待解。
终极挑战是构建量子化的引力与时空理论。多数研究者认为无需修改量子力学本身，只需将引力纳入一致框架，但目标仍遥远。
与此同时，量子理论的应用日益广泛：量子化学助力先进药物、新材料和储能设计；量子计量与传感实现超精测量，甚至探测黑洞数亿光年外引力波的微小摆动；量子计算机则承诺以经典无法企及的速度完成特定计算。
所有这些成就，皆在未完全理解量子力学核心机制的情况下达成。历史上，技术进步常推动甚至迫使基础理解深化。我们持续发明“敲击现实电视”的新方式，坚信模糊画面终将清晰。
《自然》638卷，31-34页（2025）
DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00296-9
