在上面兩篇文章裡,我們從宏觀經典力學與微觀量子力學的角度簡單討論了雙縫實驗。在這裡,我們從哲學的角度來討論一下這個實驗。
費曼在其《物理學講義》裡認為,雙縫實驗所展示出的量子現象不可能、絕對不可能以任何經典方式來解釋,它包含了量子力學的核心思想。事實上,它包含了量子力學唯一的奧秘。透過雙縫實驗,可以觀察到量子世界的奧秘。
對於雙縫實驗不可捉摸的謎團,100多年來對於它的解釋存在許多具有爭論的思想流派,眾說紛紜,沒有一個能說明。在量子力學的謎團,皆來自於人的認知的局限性的文章裡,我們詳細列出了這些哲學詮釋。在當今量子學界,最有影響力的是哥本哈根詮釋和多世界詮釋兩種。哥本哈根詮釋為許多量子力學先驅者的共識,而多世界詮釋越來越受到當代物理學界的青睞。
有讀者評論道,搞清雙縫實驗首先把分束器搞清楚。現在,我們用上篇文章中提到的分束器實驗,結合這兩種詮釋,來具體說明,如下圖所示。
多世界詮釋起源於排除哥本哈根詮釋的測量問題。 如果任一量子系統狀態由波函數給出,那麼有兩個過程控制它。 首先,波函數按薛丁格方程隨時間演變,這是個完全確定的過程。但在測量時, 波函數突然變為確定狀態,並可以計算出一些概率,即所謂概率跳躍。
多世界詮釋認為這是站不住腳的。更具體地說,「在測量過程中究竟發生了什麼?」 考慮一個穿過分束器的光子。 按照量子力學,它進入兩條路徑的疊加。此時光子的波函數是反射路徑和透射路徑這兩個波函數的線性組合。
如果分束器反射一半光並透射一半光,則概率均等於0.5。如果每個路徑末端有一個探測器D1和D2,那麼對於每個光子,通過分束器,我們將點擊D1或D2。在哥本哈根解釋中, 因為探測器以某種方式被神奇地視為經典物體,所以測量導致波函數的坍縮,從而光子定位在D1或D2處。 所以,在20世紀60年代,奠定了量子力學對稱性理論基礎的美籍匈牙利理論物理學家及數學家維格納,也意識到了這種將經典與量子頗為武斷的區別 ,並認為這是觀察者的意識導致坍縮的結果。
多世界詮釋採取了不同策略。按照量子數學計算原理將探測器也作為量子對象看待,則整個設備最終會在D1點擊和D2點擊的疊加中。如果觀察儀器可以作為量子對象看待,為什麼觀察者不可以作為量子對象看待?如果是這樣,觀察者最終會聽到D1點擊和聽到D2點擊的疊加。
所以,按照多世界詮釋,如果你只考慮D1點擊的波函數的一部分,你就會留下一個聽到點擊的確定的觀察者; 檢查波函數的另一部分,會揭示一個聽到D2點擊的確定的觀察者。 「換句話說,觀察者自己已經分裂成了許多觀察者,每個觀察者都看到了測量的確切結果,」多世界詮釋的創立者埃弗雷特這樣寫道。
埃弗雷特提出波函數沒有坍縮,因此沒有測量問題,仍存在所有可能性。在分束器和兩個探測器的簡單情況下,最終得到兩個觀察者,每個觀察者聽到一個探測器點擊。其中一個分支中的觀察者觀察到,例如,D1點擊,觀察者通過相同的分束器發送另一個光子。 同樣,觀察者分裂成一個聽到D1點擊的人,和一個聽到D2點擊的人。沒有坍縮,沒有概率跳躍,只有波的持續演變。
這個過程可以無限制地進行,從而得到一個觀察者的樹狀結構。如果跟隨這棵樹的任何一個分支,會發現一個聽到探測器的觀察者點擊,例如,按照以下順序:D1,D1,D2,D1,D2,D1,D1,D2,……; 或D1,D1,D1,D2,D1,D2,D1,D1; 或者是 D1和D2的隨機組合。
埃弗雷特認為,「對於他的'生命樹中的幾乎所有'分支',觀察者會聽到Dl或D2點擊的頻率,與初始疊加給出的概率相符,前提是當然進行了這個實驗與足夠的時間(事實證明並非如此簡單)。 埃弗雷特提出了一個連續理論和因果關係,因為一切根據薛丁格方程的規則確定性地進化 。埃弗雷特認為宇宙的波函數現在有兩個組成部分:一個在其中光子被透射,一個在其中所述光子被反射。
到此為止,哥本哈根解釋和多世界解釋都是同步與沒矛盾的。 系統現在是在這些狀態的疊加,並按照薛丁格方程演變。如果我們現在將探測器放在每個路徑的位置,那麼這兩種詮釋會給我們帶來截然不同的現實圖景。
在哥本哈根的圖景中,其中一個探測器點擊。 如果測量設備被認為是經典的,那麼該咔噠聲就是波函數坍縮的聲音。 有一段時間,物理學家想出了一種方法來解釋這種坍縮而不需要求助於魔術。 假設檢測器也可以被視為量子力學對象。 如果沒有完全隔離,探測器最終會開始與其環境相互作用,主要是通過其他環境光子和空氣分子反射,探測器與環境糾纏在一起。在數學上不可能描述這種複雜的交互作用。
量子力學用一種稱為密度矩陣的東西來描述光子和探測器的組合狀態,一種忽略環境的數學形式。在與環境相互作用之前,光子和探測器處於「光子被反射並且D1點擊」和「光子被透射並且D2點擊」的確定狀態。在與環境相互作用之後,系統處於「光子被反射並且點擊Dl」或「光子被透射並且點擊了D2」的狀態,但是我們不知道是哪個。
這種情況代表了一種我們對所發生事件的無知的狀態。 如果忽略環境,可以說最好的量子系統和測量儀器就是它們處於混合狀態,由密度矩陣描述。密度矩陣允許計算Dl單擊或D2單擊的概率。
在這種情況下,概率看起來像經典概率,因為它們基於我們的無知。與環境相互作用的過程稱為退相干,並且由此產生的密度矩陣可以讓計算出正確的概率,這使得物理學家認為退相干實際上導致了波函數的坍縮,從而解決了測量問題。雖然退相干說量子系統和測量儀器的組合演變,看起來像經典狀態的概率混合中的系統,但並沒有真正解釋為什麼。在宏觀世界中,當我們使用概率來討論系統的狀態時,這是因為我們無知,但系統仍然處於某種確定的狀態,沒有別的東西。
在量子世界中,使用密度矩陣計算的概率有些不同。看起來好像我們不知道確切的狀態。但與經典狀態不同,由密度矩陣描述的量子態不是一個確定的狀態。我們必須考慮與外部世界的糾纏來描述整個量子態,密度矩陣不會這樣做。
因此,由退相干理論非常接近於坍縮的解釋失敗了。在這一點上,哥本哈根解釋摒棄了這一點,而多世界解釋將之撿起起並隨之伴行。根據多世界理論,Dl和D2都點擊,每個都在他們自己的波函數分支中。這種點擊以及隨之而來的與當地環境的相互作用會導致糾纏和退相干。一旦退相干進入,兩個世界開始獨立演變,但仍然根據薛丁格方程。然而,波函數演化的兩個分支現在不可能重新組合。 附著在每個相干分支上的環境彼此正交,這意味著永遠不會有任何幹擾。
因此,從波函數的任何一個分支的角度來看,所有其他分支仍然存在,它們只是指數級很難找到。但是,假設沒有將探測器D1和D2放在從分束器出來的每條路徑的末端,從而避免了擦除。然後,原則上,可以通過在第二分束器處將兩個路徑組合在一起來重新組合兩個世界。它穿過第二個分束器,我們必須考慮到它經過兩條路徑,每條路徑都有不同的世界。
這讓人想起費曼解決雙縫實驗,或更普遍的量子力學的難題的方法。費曼提出量子力學的路徑積分公式。在這種方法中,接近雙縫的粒子仍然可以經典地處理,因為它穿過一個或另一個縫隙,但是為了計算它落在遠屏幕上特定位置的概率,必須讓它粒子從兩個狹縫到屏幕採取所有可能的路徑。這些路徑包括各種不符合經典意義的波形軌跡。這些路徑中的每一個都被賦予權重,該權重決定了它對最終概率的貢獻。
但是當這樣做時,又會受到幹擾。費曼認識到真正幹擾的是宇宙的兩種不同狀態。在最簡單的情況下,這兩種狀態可能只是單個粒子的位置不同。電子是上層路徑還是下層路徑?費曼的路徑積分方法是計算實驗結果概率的工具,但是多世界理論的方法更多地採用了宇宙中不同狀態的概念。這是多世界理論對雙縫的理解,其現實的看法看起來非常具有吸引力的地方。
可是,這必須付出沉重的心理代價:承認除了我們所處的宏觀世界之外,還有無數與此平行的世界。許多物理學家認為,比較起哥本哈根解釋更加困擾來,更願意被優美和雅致的數學推導所吸引。多世界理論具有如此數學上的肯定性與簡單性,只有波函數及其演化,沒有添加其它成分。可是,對於哲學家、認知科學家等來講,這種心理代價的付出太為沉重。
從1801年的楊氏雙縫實驗算起,對這個兩道縫所反映的奧秘,上下求索了200多年:前100多年是經典物理來探求,後100年交由量子物理來探究。至今沒有一個令人滿意、取得共識的答案。
有的物理學家,特別是有的量子物理學家,或即使沒有成家然而自認「專科」的,可能心裡頗不服氣:這不是已經解決好了嗎?這不是解決得都挺好嗎?實在是很遺憾,並未解決好,這是共識。
彭羅斯在不久前的採訪中關於這個奧秘如是說:「The trouble with quantum mechanics [is that]……it doesn't really make sense」,意思是說,當前量子力學的麻煩是對此奧秘的解說無能為力。彭羅斯寫了《真實之路:宇宙法則導引》(The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe)的一本1,099頁的長篇大作,目的在於尋求當代物理的真實之路在何方。
亞當-貝克爾(Adam Becker),天體物理學家、量子物理學家、一個年青有為的80後,在最近出版發表的暢銷書:《什麼是真實的?:量子物理意義的未完成探索》(What Is Real?:The Unfinished Quest for the Meaning of Quantum Physics)中,提醒我們:當我們調查解釋相同數據的無數解釋和敘述時,特別是在看似簡單然而奧秘的事實面前,對於有幸從事於這種探索的人來講,尤其是年青人,需要的是:謙虛。