光怪陸離,腦洞大開---量子論其他解釋

本科普號前面兩篇文章《科學還是玄學,教授還是神棍---玻爾的量子論哥本哈根解釋》、《無需坍縮,量子永生---量子論多世界解釋》(有興趣的同學歡迎關注回看)簡要介紹了量子論的誕生,重點介紹了量子論“正統”解釋:哥本哈根解釋和近年來支持者較多的多世界解釋。事實上關於量子論的解釋還有很多版本,理論物理學家們利用其遠超常人的智力開足了腦洞,構造完善驗證出一個又一個假設,不遺餘力地向世人宣稱他們的理論才是這個世界的本質。

光怪陸離,腦洞大開---量子論其他解釋

本篇我們將再簡單介紹量子論的幾種解釋以結束量子論詮釋的討論,分別為自發定域、隱變量、系綜、多歷史、量子貝葉斯、多精神、閉嘴計算。

1.自發定域解釋,其主要假定是,任何系統(不管是微觀還是宏觀)都不是孤立的,它們總是和外界發生著種種交流,為一些隨機過程所影響,這些隨機的物理過程會隨機地造成某些微觀系統的疊加狀態變為在空間中比較精確的定域(實際上就是哥本哈根口中的“坍縮”)。對於單個粒子來說,這種過程發生的可能性非常之低,平均要等上近10億年才會發生一次。所以從整體上看,微觀系統基本上處於疊加狀態,而宏觀系統中的微觀粒子數量龐大(幾百億箇中必然有幾個發生自發定域),它們相互糾纏在一起,而少數幾個粒子的自發定域會非常迅速地影響到整個體系,最終整個宏觀系統會在極短的時間裡完成一次整體上的自發定域。自發定域解釋去除了哥本哈根中的觀察導致坍縮的假設,取而代之的是基於概率的數學運算。但其難以理解違背常識的地方也很多,首先其定域並不是完全的位置確定。例如自發定域的你只是絕大多數粒子在你站的那個位置罷了,仍然有一些組成你的粒子瀰漫於整個空間。

2.隱變量解釋,其主要假定是微觀粒子(例如電子或光子)始終就是一個實實在在的粒子,不論我們是否觀察它,它都具有確定的位置和動量。一個粒子除了具有通常的一些性質如電磁勢之外,還具有所謂的“量子勢”(可以理解為德布羅意導波的增強版)。這種量子勢其實是一種類似波動的東西,它按照薛定諤方程發展,在粒子的周圍擴散開去,且這種勢可以一直延伸到宇宙的盡頭而不發生衰減,而測量儀器試圖觀察粒子位置時會因為一種隱變量的擾動使粒子本身發生不可預測的變化。隱變量解釋同樣不再需要觀察者和坍縮,而且隱變量恢復了經典的實在性,但卻放棄了定域性,擴散於整個空間的量子勢會推導出信息可以超光速交流。

3.系綜解釋,其主要假定是量子論看作一種純統計的理論,它無法對單個系統作出任何預測,它所推導出的一切結果,都是一個統計上的概念!也就是說,我們的世界中不存在什麼“單個”的事件,每一個預測,都只能是平均式的,針對“整個集合”。玻爾等人假設每個電子都按照波函數發散開來,而系綜解釋則直接將問題踢出理論框架,沒有“坍縮”,甚至談論單個電子都是沒有意義的事情,量子論只能給出一個統計意義的系綜。顯然,大多數科學家認為這是一種過於鴕鳥的實用主義,迴避討論量子論的哲學意義。

4.多歷史解釋,也稱退相干歷史解釋,其主要假定是將宇宙整體看做一個孤立的波函數,與多世界中方程演化被投影到多個“子世界”中不同,世界只有一個,但歷史有很多個。在量子力學中,我們具體可以採用所謂的“路徑積分”(路徑積分是與矩陣力學、波動力學在數學上等價的第三種表示形式)的辦法,構造出一個“退相干函數”來計算所有的這些歷史。當我們把宇宙的歷史分得足夠精細,那麼實際上每時每刻都有許許多多的精粒歷史在“同時發生”(相干)。比如沒有觀測時,電子顯然就同時經歷著“通過左縫”和“通過右縫”兩種歷史。當我們加入觀測之後,我們需要把加入我們巨量粒子的精細歷史遍歷求和得到一個粗粒歷史,當所有的精細歷史被加遍了以後,它們之間的干涉往往會完全抵消。於是,“我們觀測到電子在左”和“我們觀測到電子在右”這兩個粗粒歷史退相干了,它們之間不再互相聯繫,而我們只能感覺到其中的某一種。

5.量子貝葉斯解釋將量子論與貝葉斯概率結合起來建立量貝模型,它認為,波函數只是一本用戶手冊,一種數學工具,並非客觀實在。觀察者使用這種工具,對周圍的世界——即量子世界——作出更明智的判定。確切地說,觀察者意識到,自己個人的選擇和行動會以一種本質上具有不確定性的方式影響該系統,因此利用波函數,將他自己對於一個量子系統具備某種特性的個人信念量化賦值,觀察者彼此交流,修正各自的波函數來解釋新獲得的知識,於是,就有了更清晰的認識。量貝模型認為波函數的塌縮不過是觀察者在新信息的基礎上,突發、間斷地修正自己的概率賦值,量子系統並未真正發生坍縮等奇怪而費解的變化,變化的只是觀察者選定用來描述自己個人預期的波函數。

6.多精神解釋,認為當進行了一次“觀測”之後,宇宙沒有分裂,是我們大腦的狀態或者說“精神”分裂。

7.閉嘴計算解釋,認為量子論無法進行詮釋,能用來計算實驗即可。

最後附一張總結圖對比這些量子論解釋

光怪陸離,腦洞大開---量子論其他解釋

量子論多種解釋

現在我們已經有了這麼多的解釋,其核心分歧就在於如何解釋疊加,也許未來還會有更多的解釋(量子貝葉斯就誕生於21世紀)出現,這其中也許只有一個是對的更可能這些全部都是錯的。需要特別聲明的是,這些解釋絕不是理論物理學家在胡亂開腦洞,像寫玄幻小說那樣捏造個生詞然後強行自圓其說。這些解釋都是有其詳細數學推導過程的,只不過因為文章是科普向的,所以沒有展示這些晦澀難懂的大段數學內容。

大家對量子論的哲學意義大可以腦洞大開自由暢想,前兩篇文章底下就有一些精彩評論。不過我們需要警惕的是一些掛著量子旗號的偽科學、保健品、特異功能等等,包括但不限於量子針灸、量子保健、隔空取物等等。

本科普號接下來的文章會介紹量子論在現實科技生活中有什麼應用,介紹量子力學之後的發展:量子電動力學、量子色動力學、量子場論、弦論等等,歡迎關注收藏、點贊評論。


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