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中国科学院物理研究所说没有人真正理解量子力学( 二 )

中国科学院物理研究所说没有人真正理解量子力学
隐变量：掷骰子的结果是无法预测的 ， 因为它对细节（例如手的动作）敏感 。 由于这部分信息未知 ， 因此对于实际目的 ， 掷骰子是随机的 。 这是如何理解量子力学的方法 。 如果缺少信息 ， 则可以进行量子测量的结果 。 为了了解这个问题 ， 假设你有一个粒子和两个探测器 ， 一个在左边 ， 一个在右边 。 如果将粒子向左发送 ， 则左检测器会发出滴答声 。 如果将粒子向右发送 ， 则右检测器会发出咔哒声 。 但在量子力学中 ， 你可以做的不止这些：你可以让一个粒子同时处于两种状态 。 例如 ， 你可以通过分束器（beam-splitter ）发射粒子 ， 这样之后它就可以既向左运动又向右运动 。 物理学家说粒子是左右“叠加”的 。 但是你从来没有观测到过一个处于叠加态的粒子 。 对于这样的叠加态 ， 波函数并不会告诉你一定会测量到什么 ， 你只能预测你测量结果的概率 。 假设它预测到向左的概率是50% ， 向右的概率也是50% 。 这样的预测对于一组粒子或一系列重复测量是有意义的 ， 但对于单个粒子却没有意义 。 探测器要么发出咔嗒声 ， 要么不发出咔嗒声 。 数学上 ， “发出咔嚓声或不发出咔嚓声”要求我们在测量瞬间改变它的波函数 ， 这样在测量之后 ， 粒子在确实测量到它的探测器中百分之百地存在 。 量子力学不可能是自然界运行的最基本的规则 ， 我们要超越它才行 。 这种改变（也称为波函数的“塌缩”）是瞬时的 ， 它在任何地方都同时发生 。 这似乎与爱因斯坦的光速是信息传播速度的极限相冲突 。 然而 ， 观测者不能利用这一点来发送比光还快的信息 ， 因为观测者无法控制测量结果是什么 。 事实上 ， 测量更新的同时性并不是主要问题 。 主要的问题是 ， 如果量子力学像大多数物理学家所相信的那样是一种基本理论 ， 那么测量更新应该是多余的 。 毕竟 ， 探测器也是由基本粒子组成的 ， 所以我们应该能够计算出在测量中发生了什么 。 不幸的是 ， 我们不仅不知道如何计算探测器被粒子击中时的行为 ， 除非我们只是假设测量会导致波函数的突变 ， 更糟的是 ， 我们知道这是不可能发生的 。 中国科学院物理研究所说没有人真正理解量子力学
我们知道 ， 如果没有波函数的塌缩 ， 就不可能正确地描述量子测量 ， 因为测量过程比不观察波函数时的行为更复杂 。 测量过程的主要作用是消除可测量结果的叠加性 。 相反 ， 一个没有被测量的波函数才会处于叠加态 ， 这根本不是我们观察到的结果 。 我们从来没有遇到过同时发出咔哒声和不发出咔哒声的探测器 。 这在形式上意味着 ， 虽然量子力学是线性的（保持叠加） ， 但测量过程是“非线性的” ， 它属于比量子力学更复杂的一类理论 。 这是改进量子力学的一条重要线索 ， 但几乎完全没有人注意到 。 相反 ， 有些物理学家认为波函数并没有描述单个粒子的行为 ， 从而扫除了量子测量的难题 。 他们认为波函数描述的不是粒子本身 ， 而是观察者对粒子行为的了解 。 当我们进行测量时 ， 这些知识应该得到更新 。 但关于这些知识是什么 ， 你不应该问 。 然而 ， 这种解释并不能消除这样一个问题：如果量子力学是基本的 ， 那么我们应该能够计算出在测量过程中发生了什么 。 “观察者”所得到的“知识”也应适用于宏观对象 ， 其行为至少在原则上应该可以从基本粒子的行为中导出 。 而且 ， 我们知道这是不可能的 ， 因为测量过程不是线性的 。 一个人不能通过重新解释数学来解决矛盾 ， 只能通过纠正数学来解决 。 中国科学院物理研究所说没有人真正理解量子力学
一种可能的解决方法解决这个难题只有两条路 。 一是反对还原论 ， 承认宏观物体的行为不能从其组成部分的行为中推演出来 ， 甚至在原则上也不能 。 拒绝还原论在哲学家中很流行 ， 但在科学家中却非常不受欢迎 ， 而且理由充分 。 还原论已经取得了显著的成功 ， 并在经验上得到了很好的证实 。 更重要的是 ， 从来没有人提出过一个一致的、非还原论的自然理论 。 而放弃还原论而不提出更好的解释不仅毫无用处 ， 而且反科学的 。 这无助于我们取得进展 。 另一个合乎逻辑的解决方案是 ， 量子力学并不是一个基本理论 ， 它只是对更深层现实的一瞥 。 如果量子力学不是一个基本理论 ， 那么我们不能预测量子测量结果的原因仅仅是我们缺乏信息 。 因此 ， 量子随机性和掷骰子的随机性没有区别 。 普遍关联性 ， 这个概念的特征 ， 并没有在基本粒子的层次上显现出来 。 掷骰子的结果在原则上是可以预测的 。 但它在实践中是不可预测的 ， 因为它对最微小的扰动都非常敏感 ， 比如你的手的精确运动 ， 模具形状的缺陷 ， 或者它滚动表面的粗糙度 。 由于这是我们没有的信息（或者即使我们有 ， 也无法计算） ， 掷骰子在所有实际应用中都是随机的 。 我们最好的预测是 ， 当我们对未知的、确切的细节进行平均时 ， 任何一面出现的概率是1/6 。 这是我们理解量子力学的一种方式 。 测量结果原则上可以预测 ， 只是我们缺少信息 。 波函数本身并不是对单个粒子的描述 ， 测量结果只是一个平均值 。 这就解释了为什么量子力学只做概率预测 。 虽然潜在的新理论可以再现量子力学的预测 ， 但如果我们有这个理论 ， 我们也可以分辨出在哪些情况下我们应该看到偏离量子力学的现象 。 这个观点得到了这样一个事实的支持 ， 即描述波函数行为的经验性确定性的方程几乎与物理学家用来描述大量粒子而不是单个粒子行为的方程相同 。 历史上 ， 这种理解量子力学的方法被称为“隐变量理论（hidden variables theory）” ， “隐变量”在这里是所有未知信息的集合 ， 如果我们有了它 ， 量子测量的结果将可以被准确预测 。


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