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引领先锋|没有人真正理解量子力学，包括你( 二 )


引领先锋|没有人真正理解量子力学，包括你我们知道 ， 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 。 一种可能的解决方法
【引领先锋|没有人真正理解量子力学，包括你】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 。 物理学走在错误的道路上吗？需要强调的是 ， 带有隐藏变量的理论不是对量子力学的解释 。 它们是不同的理论 ， 它们更准确地描述了自然 ， 而且确实可以解决测量问题 。 不用多说 ， 我们并不是第一个指出量子力学就像一个求平均的理论的人 。 这可能是每个人在面对随机测量结果时都会想到的 。 从量子力学早期开始 ， 物理学家就开始考虑隐变量 。 但后来他们错误地认为这一选择是不可行的 ， 这一错误在今天依然存在 。 物理学家几十年前犯的错误是从1964年约翰·贝尔证明的数学定理中得出错误的结论 。 这个定理表明 ， 在任何隐含变量允许我们预测测量结果的理论中 ， 测量结果之间的相关性服从一个界限 。 从那时起 ， 无数的实验表明 ， 这个界限是可以被打破的 。 由此可知 ， 贝尔定理所适用的隐变量理论是被证伪的 。 物理学家得出的结论是量子理论是正确的 ， 而隐变量理论不正确 。 但是贝尔定理提出了一个假设 ， 这个假设本身没有得到证据支持：隐变量（不管它们是什么）与检测器的设置无关 。 这种被称为“统计独立性”的假设是合理的 ， 只要实验只涉及像药片、老鼠或癌细胞这样的大型物体 。 然而 ， 量子粒子是否成立 ， 没有人知道 。 违反统计独立性的隐变量理论引出了超决定论 。 令人震惊的是 ， 他们从未被排除在外 。他们甚至从未进行过实验测试 ， 因为这需要一种不同于物理学家迄今所做的实验 。 为了检验超决定论 ， 人们必须寻找证据 ， 证明量子物理并不像我们想象的那样随机 。 超决定论的核心思想是 ， 宇宙中的一切都与其他一切有关 ， 因为自然法则禁止某些粒子的构型 。 如果你有一个空旷的宇宙 ， 把一个粒子放在其中 ， 那么你就不能任意地把其他粒子放在其中 。 他们必须先服从某些关系 。 这种普遍的关联性特别意味着 ， 如果你想测量量子粒子的性质 ， 那么这个粒子永远不会独立于测量设备 。 这并不是因为装置和粒子之间发生了任何相互作用 。 两者之间的依赖性只是一种自然属性 ， 然而 ， 如果一个人只关注宏观设备 ， 这种关联性就不会被注意到 。 如果是这样的话 ， 量子测量就有了明确的结果 ， 因此在解决测量问题的同时 ， 会导致违反贝尔定界 。 很难解释为什么物理学家花了半个世纪的时间来研究一个不一致的理论 ， 却从来没有认真考虑过统计独立性可能会失效 。 如果在量子实验中违反了统计独立性 ， 那么对其具体后果的分析就很少了 。 如上所述 ， 任何解决测量问题的理论都必须是非线性的 ， 因此很可能会产生混沌动力学 。 小的变化产生大的结果的可能性是混乱的标志之一 ， 但是在关于隐变量的争论中却被完全忽略了 。 低风险 ， 高回报鉴于量子力学的技术相关性 ， 超越它将是一个重大的科学突破 。 但由于历史遗留问题 ， 研究过或目前研究超决定论的研究人员要么被忽视 ， 要么被嘲笑 。 因此 ， 这一想法关注的人仍然很少 。 由于缺乏研究 ， 我们至今还没有普遍适用的超决定论理论 。 我们确实有一些模型为理解违反贝尔不等式提供了基础 ， 但是没有理论能像现有的量子力学理论那样灵活 。虽然超决定论做出的一些预测在很大程度上是与模型无关的 ， 因此测量结果的随机分布应该比量子力学中的少 ， 但由于这些预测不是基于一个成熟的理论 ， 因此很容易受到批评 。 实验主义者甚至不想测试这个想法 。 但我们不太可能偶然发现超决定论的证据 。 普遍关联性并没有在基本粒子的层次上显现出来 。 因此 ， 我们不认为用越来越大的粒子加速器探测越来越小的距离将有助于解决仍然悬而未决的基本问题 。 今天的大多数物理学家被错误地教导测量问题已经解决 ， 或者错误地认为隐藏的变量已经被排除 ， 这对物理学的进步是无用的 。


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