量子力學的惱人概念和問題(全局詮釋之三)

2020-08-15 雷奕安

即使我們已經有了更驚人的想法和概念,比如宇宙如何誕生,大統一理論,基因設計,人工智慧統治,等等,量子力學中的很多概念卻總是最燒腦的。即使科學界對量子糾纏,量子計算等神奇概念仍然存在批評聲音,很多科普或者推廣場合,不強調幾句量子概念沒法懂,就讓人覺得不上檔次。量子已經成了一塊最耀眼的招牌。

費曼曾經說過,沒有人懂量子力學。這句話經常被一些批評我的人引用,作為我不懂量子力學的證據。這樣批評我當然很可笑的,因為這意味著,他們不但承認自己不懂,還不許別人進一步研究明白,因此被我嘲笑為「量子力學不懂派」。

量子力學究竟有那些概念讓科學家們感到不快呢?

這裡不可能把每一個問題介紹清楚,因為每一個問題都需要很長時間才能說清楚是怎麼回事。好在這裡列舉的大部分問題都已經有很多介紹和討論。這裡只作簡單的介紹。有幾個問題是我提出來的,還沒有任何人介紹過,我會稍微詳細一點說明。

波粒二象性

物質是波還是粒子?什麼叫做又是波,又是粒子?波同時分布在一個時空範圍,而粒子一般有明確的大小。

測量問題

一般我們計算或者討論物理過程,都是連續的,可以研究連續變化的過程,跟蹤各種物理量的連續變化。但是量子力學中的測量和所有的公式都不一樣,滿足的規則只有一個,就是隨機瞬時發生,可以導致所有物理量不連續。特別地,如果測量前處在幾個能量本徵疊加態上,測量後只能得到某個能量,測量前後能量不守恆。角動量也會有同樣的問題。可是這些量本來都應該是守恆量。

經典體系中,一般認為測量不影響體系狀態。量子體系中,測量引起系統突變,不可逆。

測量只有解釋,沒有數學表達,和理論其它部分割裂。

測不準原理

經典物理中,粒子可以同時擁有的性質,比如,位置和速度,原則上不可能同時測準,互相排斥。一個量越確定,另一個量一定越不確定。

基本粒子屬性問題

一個經典物體,我們可以測量與它有關的各種物理性質。這些性質自洽,有明確的物理圖像,可以理解,比如大小,動量,質量,角動量,等。但是在量子力學中,基本粒子的基本屬性只能人為定義,把它們當成粒子的內稟屬性。無法理解,沒有物理圖像。比如一個電子多大?如果是測量的或者經典定義的那麼大,自旋就不可能是測量到的那個數值,因為它必須轉動得超過光速。再比如光子,它沒有靜質量,卻有動量,還可以有角動量。

實在性

就是客觀實在性。由於一個量子客體,不測量則不知道它的性質,測量卻改變了它,那麼測量前,它究竟有沒有一個客觀的狀態呢?愛因斯坦認為有,玻爾認為沒有,或者說,無法知道。「月亮如果我不去看它,它就不存在嗎?」就是這一爭論的放大。

量子糾纏(非局域性)

量子糾纏的兩個粒子,即使相隔非常遠,也能瞬時相互影響。這一圖像違背了相對論,但是支持者們聲稱,無數的實驗已經無可辯駁地證明了這一現象。

我們發現不是這樣,實驗並沒有證明支持者們的主張。

量子信息相關研究方向堅持這一主張。

決定論

經典物理原則上是決定論的。也就是未來完全由過去的物理狀態決定。量子力學中,所有的未來都是可能性。未來向哪一個可能發展,量子力學給不出來,只能給出每一個分支的可能性。當然也有一些別的解讀,比如多宇宙詮釋。

延遲選擇實驗

量子幹涉實驗已經夠讓人費解了。延遲選擇實驗,也就是,看起來,未來的選擇改變了粒子過去的狀態,即在未來改變過去,現在仍然被當作量子力學,或者說量子體系,極端神奇的一種現象。實驗似乎都支持未來改變過去的主張。

光子問題

作為基本粒子屬性無法理解的一個特例,光子尤其無法理解,甚至理論上也不自洽。比如,光子究竟有確定的能量,還是沒有?每個答案都有適用之處,也有與實驗矛盾之處。光子的軌道角動量是個什麼鬼?你能想像一個沒有質量(因為在運動方向的平面上),運動速度為光速,不可約束的東西,會繞著一個東西旋轉嗎?

全局詮釋如何看?

全局詮釋中,將給出以上所有概念符合認知直覺的物理圖像,並給出自洽的解釋。

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