關(guān)于如何理解量子力學(xué)的激烈爭論

每個(gè)物理學(xué)家都會同意上個(gè)世紀(jì)最大的范式轉(zhuǎn)變之一是從經(jīng)典物理到量子物理的轉(zhuǎn)變。量子力學(xué)改變了科學(xué)的面貌，它能解釋一切。解釋電？可以。解釋鳥是怎么朝一個(gè)方向飛的？可以。解釋萬有引力？不行。但是，今天我們談?wù)摰膬?nèi)容與此無關(guān)，我們將討論關(guān)于如何理解量子力學(xué)的激烈爭論。

背景

索爾維會議（這張照片包含很多量子力學(xué)的先驅(qū)人物） | Wikipedia

量子力學(xué)始于馬克斯·普朗克發(fā)現(xiàn)光實(shí)際上是由具有固定能量的粒子組成的。盡管后來他否定了自己的這個(gè)想法，但幾年后，阿爾伯特·愛因斯坦利用普朗克的理論解決了另一個(gè)當(dāng)時(shí)普遍存在的問題（光電效應(yīng)）。

在接下來的十年里，尼爾斯·玻爾，埃爾溫·薛定諤，維爾納·海森堡，馬克思·玻恩，保羅·狄拉克等共同建立了量子力學(xué)。

簡單來說，量子力學(xué)告訴我們，不能再用位置這樣的物理量來描述電子、質(zhì)子這些粒子。例如，電子沒有固定的位置。取而代之，我們用它們可能處于的位置來描述它們，那它到底在哪里呢？哪一個(gè)可能存在的位置是它真實(shí)的位置？量子力學(xué)告訴我們電子并沒有處于特定的位置上！只有當(dāng)我們測量它們時(shí)，電子才具有特定的位置。

現(xiàn)在，為了表示電子處于某個(gè)位置的概率，我們引入一個(gè)叫做波函數(shù)的數(shù)學(xué)工具。電子的每一個(gè)可能的位置都被稱為一個(gè)態(tài)，波函數(shù)給出了電子處于任何一種狀態(tài)的概率。波函數(shù)的行為類似于波，這也導(dǎo)致了粒子行為在某些實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)得像波。你可能聽說過粒子也可以是波，但實(shí)際上波的行為是由波函數(shù)決定的。

氫原子的波函數(shù)

波函數(shù)好像解決了很多問題。但是，仍然有一個(gè)揮之不去的問題：測量問題。波函數(shù)趨向于在給定的時(shí)間內(nèi)逐步擴(kuò)散開（就像任何正常的波一樣）。這意味著電子的可能存在的位置變多了。但是，當(dāng)我們測量電子的位置時(shí)，我們看到它有一個(gè)固定的位置。那么在測量位置的過程中，擴(kuò)散開的波函數(shù)發(fā)生了什么變化？這就是我們今天要討論的問題：理解量子力學(xué)核心思想的方法。

哥本哈根解釋

首先，我們來看看對量子力學(xué)最古老（也是流傳最廣）的解釋：哥本哈根解釋。這是量子力學(xué)先驅(qū)們自己提供的解決方案，并得到了尼爾斯·玻爾的大力支持。

哥本哈根解釋告訴我們，當(dāng)我們對波函數(shù)進(jìn)行測量時(shí)，除了一個(gè)特定狀態(tài)的概率外，其它所有的概率都變?yōu)榱?，被測量到的狀態(tài)概率變?yōu)?。這確保了電子有一個(gè)固定的位置，而不存在于其他任何地方。這種一個(gè)特定狀態(tài)的概率變?yōu)?，其他概率都變?yōu)?的過程被稱為波函數(shù)塌縮。

波函數(shù)塌縮

現(xiàn)在，我們能預(yù)測哪個(gè)概率變?yōu)?，哪個(gè)變?yōu)榱銌?？不能。這是哥本哈根解釋的核心。我們無法知道波函數(shù)在哪里以及如何塌縮。波函數(shù)描述的每一個(gè)可能的位置都有機(jī)會成為電子所處的特定位置。

哥本哈根的解釋在當(dāng)時(shí)被物理學(xué)家廣泛接受。它的頭號反對者是阿爾伯特·愛因斯坦，他痛恨波函數(shù)塌縮只是隨機(jī)發(fā)生的說法。

事實(shí)上，量子糾纏這個(gè)量子力學(xué)中的預(yù)言正是愛因斯坦構(gòu)造出來攻擊哥本哈根解釋的。

量子糾纏 |Brilliant

事實(shí)上哥本哈根解釋存在一些漏洞：其中一個(gè)是塌縮必須是瞬間發(fā)生的。狹義相對論（上個(gè)世紀(jì)的另一個(gè)范式）向我們表明，任何相關(guān)事件都不可能瞬間發(fā)生。但是哥本哈根的解釋明確地暗示了這一點(diǎn)：如果塌縮不是瞬間的，那么電子存在于別處的可能性很小。

還有一個(gè)問題是，在塌縮過程中信息不守恒。和其他的態(tài)相關(guān)的信息發(fā)生了什么？哥本哈根的解釋沒有給出答案。

此外還存在的一個(gè)問題是塌縮實(shí)際上在哪里發(fā)生，可以用被稱為“維格納的朋友”的思想實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)來描述。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)提出了一個(gè)問題，塌縮發(fā)生在哪里？也許是當(dāng)電子被測量的時(shí)候？或者當(dāng)波函數(shù)的信息進(jìn)入我們的大腦時(shí)？哥本哈根解釋沒有給出明確的答案。

這就是為什么越來越多的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)哥本哈根的解釋相當(dāng)不準(zhǔn)確。正是這些原因?qū)е铝烁嘟忉尩某霈F(xiàn)。我們繼續(xù)其他解釋。

多世界解釋

多世界解釋最具科幻色彩。它由休·埃弗雷特提出，波函數(shù)所描述的每一種可能的狀態(tài)，在測量后實(shí)際上都成為電子的真實(shí)位置。這怎么可能呢？我們需要知道平行宇宙的概念。

多世界解釋 | Pinterest

多世界解釋是，當(dāng)我們測量電子時(shí)，測量導(dǎo)致波函數(shù)退相干，簡而言之，“退相干”意味著波函數(shù)相互分離。我們知道，當(dāng)我們測量電子時(shí)，確實(shí)會發(fā)生退相干，但接下來的部分就是純粹的推測了。

多世界解釋接著說，當(dāng)測量發(fā)生時(shí)，宇宙發(fā)生分裂，出現(xiàn)多個(gè)平行的宇宙。在每一個(gè)新宇宙中，其中一個(gè)狀態(tài)成為新的真實(shí)位置。這些宇宙接著繼續(xù)分裂，每次測量都會伴隨著分裂。

現(xiàn)在，這一解釋成為科幻小說的金礦，但這個(gè)解釋并不能被證實(shí)。它要求新的宇宙不能相互作用，那么我們怎么可能探測到它們呢？

這一點(diǎn)，再加上一個(gè)違反直覺的假設(shè)，許多人認(rèn)為這種解釋可能是不正確的。然而，一項(xiàng)針對量子物理學(xué)家的民意調(diào)查顯示，58%的人認(rèn)為這種解釋是正確的。但是，這種解釋仍然是不可證偽的，這意味著我們無法證明它是對是錯(cuò)。

我認(rèn)為肖恩·卡洛爾說得最好:

雖然聽起來很瘋狂，但大多數(shù)物理學(xué)家都相信多世界理論。

導(dǎo)航波解釋

這個(gè)解釋由德布羅意提出，并由大衛(wèi)·波姆修正，實(shí)際上它把波函數(shù)和粒子當(dāng)作獨(dú)立的實(shí)體。

類似于導(dǎo)航波的波 |Quanta Magazine

導(dǎo)航波理論告訴我們，波函數(shù)是一個(gè)真實(shí)的波，叫做導(dǎo)航波。但是，它不只是描述一個(gè)粒子，它還會引導(dǎo)它運(yùn)動(dòng)。粒子位于導(dǎo)波的頂部，然后被導(dǎo)波帶走。但是，與哥本哈根不同的是，粒子的位置和軌跡是固定的。但是，關(guān)于位置和軌跡的信息是我們無法獲取的，所以我們只能觀察到隨機(jī)的結(jié)果。這從根本上改變了量子力學(xué)的核心哲學(xué)：它引入了決定論(給出一些初始信息來預(yù)測一切的能力)，而不是概率。

當(dāng)然，這個(gè)理論告訴我們，隨機(jī)性仍然很普遍。雖然粒子有明確的性質(zhì)，但我們作為實(shí)驗(yàn)人員，不能直接觀察它。這就是為什么量子力學(xué)的隨機(jī)性在這個(gè)理論中突然出現(xiàn)的原因。

但這不是全部。這個(gè)解釋繼續(xù)說，在整個(gè)宇宙中只有一個(gè)波函數(shù)。每個(gè)粒子都由這個(gè)奇異的導(dǎo)航波攜帶。

到目前為止，導(dǎo)航波解釋似乎是量子力學(xué)唯一可信和直觀的解釋。但是，這個(gè)理論也有一些漏洞，其中最大的一個(gè)就是隱變量。

簡而言之，隱變量是隱藏在波函數(shù)中的一些我們無法接觸到的信息。所謂的接觸，我指的是我們甚至在理論上都無法接觸到它們(請注意，我在這里過于簡化了)?，F(xiàn)在，隱變量在量子力學(xué)中是一個(gè)很大的“不”，正如數(shù)學(xué)家馮·諾伊曼(von Neumann)所表明的，任何包含隱變量的理論都不可能是準(zhǔn)確的。

但是，導(dǎo)航波理論要求全局隱變量，這意味著隱變量在整個(gè)宇宙中具有相同的值，因?yàn)樗鼈兪且粋€(gè)大波函數(shù)的一部分。這種解釋試圖用這種隱藏變量來解決量子糾纏問題，但自從證明了糾纏與任何隱藏變量無關(guān)后，這種嘗試就被拋棄了。

它與狹義相對論不相容的事實(shí)，給了玻爾和其他先驅(qū)們不接受它的理由。直到現(xiàn)在，才有一些人開始傾向于這種解釋。

應(yīng)用到雙縫實(shí)驗(yàn)中

雙縫實(shí)驗(yàn) | Wikipedia

雙縫實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)中最著名的實(shí)驗(yàn)之一。實(shí)際上，量子力學(xué)的起源與這個(gè)實(shí)驗(yàn)緊密相連。雖然最初設(shè)計(jì)是為了證明光是波，但當(dāng)我們試圖用電子代替光時(shí)，我們得到了一個(gè)驚人的結(jié)果。

一些電子通過某種裝置被發(fā)射。電子通過兩條小縫，然后它們撞擊縫后的屏幕(見上圖)。我們在屏幕上看到的是這樣一種圖案：只有當(dāng)我們認(rèn)為電子是波時(shí)，我們才能解釋得到的圖案。

對這一現(xiàn)象的解釋是，電子是由波函數(shù)描述的，它的行為像波。所以，當(dāng)一個(gè)電子被發(fā)射時(shí)，它沒有明確的軌道或位置。只有波函數(shù)存在，它表示了電子處于各種可能狀態(tài)的概率。

波函數(shù)通過這些狹縫，進(jìn)行干涉，從而產(chǎn)生屏幕上的圖形。記住，當(dāng)電子撞擊屏幕時(shí)，它就被測量，現(xiàn)在它有了一個(gè)明確的位置。但是隨著電子數(shù)量的增加，它們開始表現(xiàn)出波函數(shù)的分布形式。

現(xiàn)在，讓我們把我們的解釋應(yīng)用到這個(gè)現(xiàn)象上。我們想知道當(dāng)電子撞擊屏幕(被測量)時(shí)，波函數(shù)發(fā)生了什么。

哥本哈根：這個(gè)解釋說，只要波函數(shù)觸碰屏幕，它就會被測量。波函數(shù)坍塌，這意味著電子處于一個(gè)確定的位置。波函數(shù)中剩下的信息丟失了，這個(gè)過程是不可逆的。

多世界：多世界解釋告訴我們，只要波函數(shù)觸碰屏幕，它就會退相干。然后，整個(gè)宇宙分裂成更多的“分支”。電子的位置不同。這兩個(gè)宇宙從此分道揚(yáng)鑣，再也不會相互作用。

導(dǎo)航波：導(dǎo)航波解釋告訴我們電子已經(jīng)有了固定的位置和路徑，但是我們無法測量它。波函數(shù)把電子帶在上面，一旦電子到達(dá)屏幕，電子就會到達(dá)預(yù)定的位置。

你可能會看到我們得到了相同的結(jié)果，但是解釋發(fā)生了什么的方式是根本不同的。哪一個(gè)是正確的?我們稍后會講到。

更多的解釋

當(dāng)然，這些并不是唯一的解釋。還有很多其他解釋。這里我描述了三個(gè)最突出的例子。但是，如果你好奇，這里還有一些：

量子貝葉斯理論

一致性歷史觀點(diǎn)

量子達(dá)爾文主義

隨機(jī)力學(xué)

馮.諾伊曼-維格納解釋

哪個(gè)解釋是正確的？

那么正確的解釋是什么呢？答案是：“我們不知道”。我們需要更深入地研究這些解釋，進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)，尋找矛盾，驗(yàn)證預(yù)測，發(fā)現(xiàn)漏洞。基本上，這是一個(gè)測試、回顧和改進(jìn)的問題。

但就目前而言，在獲得任何決定性的證據(jù)來確定量子力學(xué)的正確版本之前，我們只能自己判斷。對哥本哈根解釋的不滿或不舒服，催生了多世界解釋和導(dǎo)航波解釋。同樣地，許多人根據(jù)自己的直覺來選擇他們想相信的東西。