量子力學(xué)的哥本哈根解釋

量子力學(xué)的哥本哈根解釋包含這樣一種觀點，即不存在導(dǎo)致量子世界概率的確定性隱藏變量。這意味著通常不可能確定地預(yù)測任何測量的結(jié)果，并且沒有隱藏在量子力學(xué)之下的更深層次的現(xiàn)實。但還有其他理論擁抱決定論，并一直在尋找這些隱藏變量。

1932年，約翰·馮·諾依曼提聲稱可以證明沒有隱藏變量的存在。但是，他的證明的有效性受到哲學(xué)家賴欣巴哈的質(zhì)疑。阿爾伯特·愛因斯坦堅持認(rèn)為量子力學(xué)不可能是一個完整的理論，他的首選論點依賴于定域性原理。他與鮑里斯·波多爾斯基和內(nèi)森·羅森一起提出了一個思想實驗，現(xiàn)在被稱為EPR悖論。

該思想實驗涉及一對處于糾纏態(tài)的粒子。如果測量第一個粒子的位置，則可以預(yù)測第二個粒子的位置。同樣，如果測量第一個粒子的動量， 那么第二個粒子的動量也可以預(yù)測。他們認(rèn)為，對第一個粒子采取的任何行動，都不能立即影響另一個粒子，因為這將導(dǎo)致信息傳輸速度比光速更快，這是相對論所不允許的。

他們認(rèn)為，如果沒有任何分配系統(tǒng)的方式，我們就可以確定地預(yù)測一個物理量的值，那么就必須存在一個與該量相對應(yīng)的現(xiàn)實元素。由此，他們推斷出第二個粒子在被測量之前必須具有確定的位置和動量值。這與量子力學(xué)相矛盾，因為海森堡不確定性原理要求不能同時確定位置和動量。他們假設(shè)現(xiàn)實中的這些元素是定域的，因為每個元素都屬于時空中的某個點。

玻爾對此的回應(yīng)是，他認(rèn)為他們的推理是錯誤的，因為位置和動量的測量是互補(bǔ)的，選擇測量一個就排除了測量另一個的可能性。對愛因斯坦來說，他看到的最重要的問題是非定域性，對粒子A進(jìn)行的測量會導(dǎo)致粒子B有兩種不同的量子態(tài)。他認(rèn)為由于定域性，粒子B的真正狀態(tài)不能依賴于對A進(jìn)行了哪種測量，因此量子態(tài)不能與真實狀態(tài)相關(guān)。

1951年，大衛(wèi)·玻姆提出了EPR思想實驗的變體。如果我們使用發(fā)射電子-正電子對的源，其中電子去往點A而正電子去點B。在A點愛麗絲是我們的觀察者，在B點鮑勃是我們的觀察者。如果我們假設(shè)這些對糾纏在一起，那么有兩種情況：電子的自旋向上而正電子向下；電子自旋向下而正電子向上。由于粒子處于疊加狀態(tài)，如果不進(jìn)行測量就不可能知道任一粒子的自旋狀態(tài)。

假設(shè)愛麗絲現(xiàn)在測量自旋，如果她測量到自旋向上，這意味著如果鮑勃現(xiàn)在要測量自旋，我們將百分百確信他會測量到一個向下的自旋。事實上，自旋有可能不是沿著上下而是沿著X或Y軸，如果愛麗絲測量到正X自旋，鮑勃隨后會測量到負(fù)X自旋。無論他們的自旋是沿著什么軸測量的，它們總是相反的。

在量子力學(xué)中，X自旋和Z自旋是不相容的可觀察量。所以如果愛麗絲測量Z自旋并獲得正Z結(jié)果，而現(xiàn)在鮑勃違反規(guī)定測量X自旋，在這種情況下，鮑勃有 50%的機(jī)會測量到正X值。當(dāng)沿與愛麗絲的電子相同的軸測量時，鮑勃的正電子將具有確定的自旋；但當(dāng)在不同的軸上測量時，它的自旋將是均勻隨機(jī)的。這似乎意味著信息是從愛麗絲的位置即時傳播的，從而使鮑勃的正電子呈現(xiàn)確定的自旋。

1964年，貝爾開始研究是否可以使用隱藏變量解決非定域性的問題。他表明，當(dāng)愛麗絲和鮑勃都在同一軸上進(jìn)行測量時，隱藏變量可以解釋這一點。但是，當(dāng)允許任何角度測量時，局部隱藏變量理論變得無法重現(xiàn)量子力學(xué)相關(guān)性，然后就產(chǎn)生了所謂的貝爾不等式。貝爾隨后表明，量子物理學(xué)預(yù)測了違反這種不等式的相關(guān)性 。隱藏變量可以解釋預(yù)測的唯一方法是它們是非定域的，這將意味著無論這兩個粒子相距多遠(yuǎn)，它們都能夠立即相互作用。

是否只有一種方式來看待貝爾定理？在哥本哈根解釋中，違反貝爾不等式視為拒絕通常稱為“反事實確定性”的假設(shè)的理由。這意味著不可能有意義地談?wù)撋形磮?zhí)行的結(jié)果的確定性，換句話說，就是未執(zhí)行的實驗沒有結(jié)果。

還有其他理論采用非常不同方法對此進(jìn)行解釋。多世界解釋，也被稱為埃弗雷特解釋。休·埃弗雷特是一位美國物理學(xué)家，他首先提出了量子物理學(xué)的多世界解釋。與哥本哈根解釋不同，波函數(shù)永遠(yuǎn)不會坍縮，它認(rèn)為量子疊加的所有可能性在客觀上都是真實的。它可以產(chǎn)生違反貝爾不等式的相關(guān)性，因為它違反了貝爾的隱含假設(shè)。

在埃弗雷特看來，是我們的現(xiàn)實概念出了問題。我們認(rèn)為測量結(jié)果只有一個，而實際上所有這些結(jié)果都發(fā)生了，而我們只能看到這些現(xiàn)實中的一個，其他現(xiàn)實具有單獨的物理存在。因此，整個宇宙可以被認(rèn)為是一個巨大的波函數(shù)，其中包含所有可能的現(xiàn)實。它開始于所有粒子所有可能狀態(tài)的疊加，隨著它的演化，其中一些疊加分解，使某些現(xiàn)實彼此不同并相互隔離。因此測量行為并沒有真正創(chuàng)造新的現(xiàn)實，只是將它與其他現(xiàn)實分開。

在1970年代和80年代，當(dāng)一個叫做退相干的概念被開發(fā)出來時，這個理論被賦予了新的生命，它為量子世界分裂提供一個明確的理由。使用整個概念，世界的分裂并不是突然事件，而是通過退相干演化。這個概念的主要科學(xué)吸引力在于，它不需要對量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)表示進(jìn)行任何更改或增加，波函數(shù)沒有神秘的坍縮，并且它預(yù)測的結(jié)果與我們觀察到的完全一致。

盡管多世界解釋消除了非定域性最令人煩惱的方面：遠(yuǎn)距離作用，但量子非定域性的其他方面：遠(yuǎn)程物體以糾纏形式表現(xiàn)出來的不可分離性仍然存在。

審核編輯：劉清