如何解釋量子力學？或許我們只看到了冰山一角……

2020-12-03 中國工程科技知識中心


如果你進入原子或亞原子尺度的世界，你就來到了量子物理學的範疇。但請做好心理準備，用我們日常的眼光來看，量子物理學中的一些事物看起來「毫無章法」，有的似乎完全說不通。


物理學家自然不喜歡這種感覺。量子力學的詮釋就代表著許多物理學家試圖讓量子物理「說得通」的努力。換句話說，它可以理解成物理學家在嘗試找到量子力學的數學理論與現實世界的某種「對應」。從更深層的角度來看，每種詮釋都反映著某種世界觀。


這裡簡單總結了8種量子力學的詮釋，它們有些可能更為「主流」，另外一些則更「小眾」；一些說法有待未來通過實驗驗證，而其他的也許一直只能是一種猜想或假說。


你最支持哪種？



可以這麼說，哥本哈根詮釋是目前量子力學的一種「標準語言」。它的一種表述是，亞原子粒子可以用遵循薛丁格方程的波函數描述出來。


在哥本哈根詮釋的視野下，一個波函數會根據薛丁格方程平穩地移動，直到它與物體相遇，比如探測器。而我們測量和「看」到的則是在某個特定位置的單個粒子，也就是說，當延伸在整個空間中的波函數遇到探測器時會突然坍縮。


但問題是，在量子力學中，沒有真正的物理來描述這種坍縮是如何發生的。我們常聽到量子測量問題（measurement problem）的說法。或許可以這麼理解，測量問題就像是一堵高牆，將我們和量子領域徹底分隔開來，讓我們看不見那些波函數，而只能看到粒子。哥本哈根詮釋的觀點認為，我們沒有辦法真的到達量子領域，而真正重要的是測量。


現實就在觀測中——就讓我們「閉嘴，開始算」。



與哥本哈根詮釋截然不同，多世界詮釋認為波函數是物理上真實的，這種詮釋說的是，如果薛丁格方程恰恰就是一種對現實的描述，那麼現實應當是什麼樣子的。


當你對同時處於不同位置的疊加的粒子進行測量時，被測量的粒子事實上在不同版本的現實中在所有那些位置出現。換句話說，如果一個粒子同時處於兩個位置的疊加，然後它與探測器相遇，這樣一來，它就將探測器變成了在兩個地方測量粒子的疊加，而當你從探測器中觀測到結果時，你又變成了在兩個地方觀測結果的疊加。然而這兩種「現實」顯然是互斥的，這就意味著，你所處的兩個「現實」分叉成了兩個不同的分支。


這聽起來像是，如果你在這個現實裡做了什麼糟糕的決定，別擔心，也許在另一個現實中，你仍然可以獲得一個完美的結果。多世界詮釋也是經常被流行文化借用的一種。


儘管收穫了一些支持者，但這種理解也帶來了一個問題——它讓概率失去了意義。比如，無論一個粒子是以怎樣的概率同時存在於兩個地方，當它被測量時，現實都會100%地「分裂」。



為了解決多世界詮釋在概率上的問題，一些科學家發展出了宇宙學詮釋。這種詮釋建立在永恆暴脹的背景下，它認為，如果有無窮個宇宙，那麼多世界詮釋一定成立，因為有無窮個「你」正在進行實驗，而現實將會按照概率的比例進行分裂。這樣一來，經典概率就仍然存在意義。



量子力學具有一種非常奇特的特性，被稱為非定域性（non-locality），簡單理解就是，粒子的一些性質與非常非常遙遠的地方的某些「東西」有關。這種奇異的性質帶來了一種「隱變量」的猜想：也許粒子的性質具有一些「秘密」的變量，它其實是一種確定的狀態，只是我們不知道而已，而直到我們測量才會發現。


雖然隱變量的猜想被貝爾定理駁回了，但並非給它「判了死刑」。科學家在隱變量理論的基礎上提出了「非定域隱變量理論」，也就是德布羅意-玻姆詮釋。這種詮釋認為粒子是真實存在的，它們在我們看不見的導波的引導下運動。



量子貝葉斯主義將貝葉斯概率納入了量子力學中。貝葉斯推理認為，當出現新的可用證據或信息時，一個假設為真的概率（先驗）也會根據這個新證據的符合程度發生變化（後驗）。簡單來說，當你得到了有關某個態的新信息時，它會更新你所測量的事物的概率。



量子達爾文主義認為，當量子系統與環境相互作用時，某些特定的東西就會被「消滅」。就像達爾文針對進化提出的「自然選擇」理論一樣，粒子與環境的相互作用其實是對性質的「自然選擇」，而粒子最終就會剩下與環境相一致的性質。



量子力學的數學實際上允許「順時而動」和「逆時而動」的解存在，但我們通常會忽略後者——畢竟我們一般認為時光不會逆流。然而，交易詮釋卻保留了兩種解，你得到的性質可能取決於發生於你的未來的事情。



在關係性詮釋中，量子系統的態與觀測者有關，也就是說，態是觀測者與系統之間的關係。這種詮釋受到了狹義相對論背後「觀察者的參考系」想法的啟發。量子物體的性質不再是最受關注的方面，相反，這種詮釋關注的是一切由性質之間的關系所定義的東西。



量子力學的詮釋遠不止這些，還有許多物理學家提出了不同的想法和觀點。但也有一些科學家因此相信，這麼多種不同詮釋的出現，可能恰恰意味著，量子力學中還有一些非常基礎和根本的部分等待著被發掘。


對於上述的8種詮釋，你最支持哪種？歡迎大家在留言區討論~


選題策劃：杭州小張

選題創意來源：DoS - Domain of Science, The Interpretation of Quantum Mechanics, Youtube

文字：Takeko

圖片設計：一條龍服務中的那條龍Takeko

圖片來源：Pixabay, Wikimedia Commons


參考來源：

https://www.youtube.com/watch?v=mqofuYCz9gs

http://www.phyast.pitt.edu/~rovelli/Papers/quant.mec.uu

來源：原理

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