你不懂 量子力學

量子力學不是火箭科學，但它很有可能取代火箭科學，成為一個令人無法理解的數學難題。量子力學出了名的令人難以理解，它違背直覺又看起來毫無意義。科普報導總是將它描述為「奇怪的」、「怪異的」、「令人難以置信的」或以上所有特點。

然而，我們並不這麼認為，量子力學是完全可以理解的。只是物理學家在半個世紀前放棄了唯一的理解方法。時至今日，物理學的基礎理論幾乎停滯不前。當年沒能解決的重大問題今天仍然懸而未決。我們仍然不知道暗物質是什麼，我們仍然沒有解決愛因斯坦引力理論和粒子物理標準模型之間的分歧，我們仍然不了解量子力學中測量意味著什麼。

我們怎樣才能克服這些難題？是時候重新審視一個早已被遺忘的解決方案：超決定論（Superdeterminism），即宇宙中沒有哪兩個部分是真正相互獨立的。這個方案讓我們對量子測量有了物理上的理解，並有望藉此改進量子理論。修正量子理論將成為物理學家們努力解決物理學中其他問題和尋找量子技術新應用的驅動器。

量子力學無處不在

到目前為止，物理學家和哲學家都認為，有缺點的不是量子力學，而是我們對它的理解。因此，對量子力學的理解可以著重在其數學的重新解釋上面，希望問題最終能夠取得突破。但突破還沒有出現，因為量子力學的每一種解釋都存在問題，他們都不是完全自洽的，只有更好的理論才能解決這些問題。量子力學不可能是自然界運行的最基本的規則，我們要超越它才行。

問題是，沒有人知道為什麼當人們試圖測量量子效應時，量子效應會消失。

公平地說，抱怨量子力學的缺點並因此要求完全取代它的其他理論，是對一個如此成功和精確的理論的最大侮辱。我們必須強調的是，無論量子力學奇怪與否，它都已經存在了超過100年，它完成了很多了不起的工作並幫助相信它的物理學家贏得了大量獎金。

沒有量子力學，我們就沒有雷射，就沒有半導體和電晶體，就沒有計算機、數位相機和觸控螢幕。我們不會有自旋磁共振，電子隧道顯微鏡和原子鐘。我們也不會擁有基於所有這些技術的無數應用程式中的任何一個。我們沒有Wi-Fi，沒有人工智慧，沒有LED，現代醫學基本上也會不復存在，因為現在大多數成像工具和分析方法都依賴於量子力學。最後但也很重要的是，量子計算機不會出現。

因此，毫無疑問，量子力學與社會息息相關。同理，毫無疑問，更好地理解它可以獲得更多成果和進步。

沒有人理解量子力學

那麼，為什麼連著名的物理學家都一再聲明量子力學是無法理解的呢？

量子力學的核心概念是波函數。在量子力學中，一切都是由波函數描述的。波函數是形容基本粒子的，而基本粒子又組成了一切，所以一切事物都是由波函數來形容。所以有電子的波函數，原子的波函數，貓的波函數等等。嚴格地說，一切事物都有量子行為，只是在日常生活中大多數量子行為是觀測不到的。

問題是，沒有人知道為什麼當人們試圖測量量子效應時，量子效應會消失。自從物理學家們提出量子力學以來，這個「測量問題」就一直困擾著他們。部分謎題都已得到了解決，但對這一部分的理解仍不令人滿意。

為了了解這個問題，假設你有一個粒子和兩個探測器，一個在左邊，一個在右邊。如果將粒子向左發送，則左檢測器會發出滴答聲。如果將粒子向右發送，則右檢測器會發出咔噠聲。但在量子力學中，你可以做的不止這些：你可以讓一個粒子同時處於兩種狀態。例如，你可以通過分束器（beam-splitter ）發射粒子，這樣之後它就可以既向左運動又向右運動。物理學家說粒子是左右「疊加」的。

但是你從來沒有觀測到過一個處於疊加態的粒子。對於這樣的疊加態，波函數並不會告訴你一定會測量到什麼，你只能預測你測量結果的概率。假設它預測到向左的概率是50%，向右的概率也是50%。這樣的預測對於一組粒子或一系列重複測量是有意義的，但對於單個粒子卻沒有意義。探測器要麼發出咔嗒聲，要麼不發出咔嗒聲。

數學上，「發出咔嚓聲或不發出咔嚓聲」要求我們在測量瞬間改變它的波函數，這樣在測量之後，粒子在確實測量到它的探測器中百分之百地存在。

這種改變（也稱為波函數的「塌縮」）是瞬時的，它在任何地方都同時發生。這似乎與愛因斯坦的光速是信息傳播速度的極限相衝突。然而，觀測者不能利用這一點來發送比光還快的信息，因為觀測者無法控制測量結果是什麼。

事實上，測量更新的同時性並不是主要問題。主要的問題是，如果量子力學像大多數物理學家所相信的那樣是一種基本理論，那麼測量更新應該是多餘的。畢竟，探測器也是由基本粒子組成的，所以我們應該能夠計算出在測量中發生了什麼。

不幸的是，我們不僅不知道如何計算探測器被粒子擊中時的行為，除非我們只是假設測量會導致波函數的突變，更糟的是，我們知道這是不可能發生的。

我們知道，如果沒有波函數的塌縮，就不可能正確地描述量子測量，因為測量過程比不觀察波函數時的行為更複雜。測量過程的主要作用是消除可測量結果的疊加性。相反，一個沒有被測量的波函數才會處於疊加態，這根本不是我們觀察到的結果。我們從來沒有遇到過同時發出咔噠聲和不發出咔噠聲的探測器。

這在形式上意味著，雖然量子力學是線性的（保持疊加），但測量過程是「非線性的」，它屬於比量子力學更複雜的一類理論。這是改進量子力學的一條重要線索，但幾乎完全沒有人注意到。

相反，有些物理學家認為波函數並沒有描述單個粒子的行為，從而掃除了量子測量的難題。他們認為波函數描述的不是粒子本身，而是觀察者對粒子行為的了解。當我們進行測量時，這些知識應該得到更新。但關於這些知識是什麼，你不應該問。

然而，這種解釋並不能消除這樣一個問題：如果量子力學是基本的，那麼我們應該能夠計算出在測量過程中發生了什麼。「觀察者」所得到的「知識」也應適用於宏觀對象，其行為至少在原則上應該可以從基本粒子的行為中導出。而且，我們知道這是不可能的，因為測量過程不是線性的。一個人不能通過重新解釋數學來解決矛盾，只能通過糾正數學來解決。

解決這個難題只有兩條路。一是反對還原論，承認宏觀物體的行為不能從其組成部分的行為中推演出來，甚至在原則上也不能。

拒絕還原論在哲學家中很流行，但在科學家中卻非常不受歡迎，而且理由充分。還原論已經取得了顯著的成功，並在經驗上得到了很好的證實。更重要的是，從來沒有人提出過一個一致的、非還原論的自然理論。而放棄還原論而不提出更好的解釋不僅毫無用處，而且反科學的。這無助於我們取得進展。

另一個合乎邏輯的解決方案是，量子力學並不是一個基本理論，它只是對更深層現實的一瞥。

如果量子力學不是一個基本理論，那麼我們不能預測量子測量結果的原因僅僅是我們缺乏信息。因此，量子隨機性和擲骰子的隨機性沒有區別。

擲骰子的結果在原則上是可以預測的。但它在實踐中是不可預測的，因為它對最微小的擾動都非常敏感，比如你的手的精確運動，模具形狀的缺陷，或者它滾動表面的粗糙度。由於這是我們沒有的信息（或者即使我們有，也無法計算），擲骰子在所有實際應用中都是隨機的。我們最好的預測是，當我們對未知的、確切的細節進行平均時，任何一面出現的概率是1/6。

這是我們理解量子力學的一種方式。測量結果原則上可以預測，只是我們缺少信息。波函數本身並不是對單個粒子的描述，測量結果只是一個平均值。這就解釋了為什麼量子力學只做概率預測。雖然潛在的新理論可以再現量子力學的預測，但如果我們有這個理論，我們也可以分辨出在哪些情況下我們應該看到偏離量子力學的現象。

這個觀點得到了這樣一個事實的支持，即描述波函數行為的經驗性確定性的方程幾乎與物理學家用來描述大量粒子而不是單個粒子行為的方程相同。

歷史上，這種理解量子力學的方法被稱為「隱變量理論（hidden variables theory）」，「隱變量」在這裡是所有未知信息的集合，如果我們有了它，量子測量的結果將可以被準確預測。

需要強調的是，帶有隱藏變量的理論不是對量子力學的解釋。它們是不同的理論，它們更準確地描述了自然，而且確實可以解決測量問題。

不用多說，我們並不是第一個指出量子力學就像一個求平均的理論的人。這可能是每個人在面對隨機測量結果時都會想到的。從量子力學早期開始，物理學家就開始考慮隱變量。但後來他們錯誤地認為這一選擇是不可行的，這一錯誤在今天依然存在。

物理學家幾十年前犯的錯誤是從1964年約翰·貝爾證明的數學定理中得出錯誤的結論。這個定理表明，在任何隱含變量允許我們預測測量結果的理論中，測量結果之間的相關性服從一個界限。從那時起，無數的實驗表明，這個界限是可以被打破的。由此可知，貝爾定理所適用的隱變量理論是被證偽的。物理學家得出的結論是量子理論是正確的，而隱變量理論不正確。

但是貝爾定理提出了一個假設，這個假設本身沒有得到證據支持：隱變量（不管它們是什麼）與檢測器的設置無關。這種被稱為「統計獨立性」的假設是合理的，只要實驗只涉及像藥片、老鼠或癌細胞這樣的大型物體。然而，量子粒子是否成立，沒有人知道。

違反統計獨立性的隱變量理論引出了超決定論。令人震驚的是，他們從未被排除在外。他們甚至從未進行過實驗測試，因為這需要一種不同於物理學家迄今所做的實驗。為了檢驗超決定論，人們必須尋找證據，證明量子物理並不像我們想像的那樣隨機。

超決定論的核心思想是，宇宙中的一切都與其他一切有關，因為自然法則禁止某些粒子的構型。如果你有一個空曠的宇宙，把一個粒子放在其中，那麼你就不能任意地把其他粒子放在其中。他們必須先服從某些關係。

這種普遍的關聯性特別意味著，如果你想測量量子粒子的性質，那麼這個粒子永遠不會獨立於測量設備。這並不是因為裝置和粒子之間發生了任何相互作用。兩者之間的依賴性只是一種自然屬性，然而，如果一個人只關注宏觀設備，這種關聯性就不會被注意到。如果是這樣的話，量子測量就有了明確的結果，因此在解決測量問題的同時，會導致違反貝爾定界。

很難解釋為什麼物理學家花了半個世紀的時間來研究一個不一致的理論，卻從來沒有認真考慮過統計獨立性可能會失效。如果在量子實驗中違反了統計獨立性，那麼對其具體後果的分析就很少了。如上所述，任何解決測量問題的理論都必須是非線性的，因此很可能會產生混沌動力學。小的變化產生大的結果的可能性是混亂的標誌之一，但是在關於隱變量的爭論中卻被完全忽略了。

參考資料：https://nautil.us/issue/83/intelligence/how-to-make-sense-of-quantum-physics