光怪陆离,脑洞大开---量子论其他解释

本科普号前面两篇文章《科学还是玄学,教授还是神棍---玻尔的量子论哥本哈根解释》、《无需坍缩,量子永生---量子论多世界解释》(有兴趣的同学欢迎关注回看)简要介绍了量子论的诞生,重点介绍了量子论“正统”解释:哥本哈根解释和近年来支持者较多的多世界解释。事实上关于量子论的解释还有很多版本,理论物理学家们利用其远超常人的智力开足了脑洞,构造完善验证出一个又一个假设,不遗余力地向世人宣称他们的理论才是这个世界的本质。

本篇我们将再简单介绍量子论的几种解释以结束量子论诠释的讨论,分别为自发定域、隐变量、系综、多历史、量子贝叶斯、多精神、闭嘴计算。

1.自发定域解释,其主要假定是,任何系统(不管是微观还是宏观)都不是孤立的,它们总是和外界发生着种种交流,为一些随机过程所影响,这些随机的物理过程会随机地造成某些微观系统的叠加状态变为在空间中比较精确的定域(实际上就是哥本哈根口中的“坍缩”)。对于单个粒子来说,这种过程发生的可能性非常之低,平均要等上近10亿年才会发生一次。所以从整体上看,微观系统基本上处于叠加状态,而宏观系统中的微观粒子数量庞大(几百亿个中必然有几个发生自发定域),它们相互纠缠在一起,而少数几个粒子的自发定域会非常迅速地影响到整个体系,最终整个宏观系统会在极短的时间里完成一次整体上的自发定域。自发定域解释去除了哥本哈根中的观察导致坍缩的假设,取而代之的是基于概率的数学运算。但其难以理解违背常识的地方也很多,首先其定域并不是完全的位置确定。例如自发定域的你只是绝大多数粒子在你站的那个位置罢了,仍然有一些组成你的粒子弥漫于整个空间。

2.隐变量解释,其主要假定是微观粒子(例如电子或光子)始终就是一个实实在在的粒子,不论我们是否观察它,它都具有确定的位置和动量。一个粒子除了具有通常的一些性质如电磁势之外,还具有所谓的“量子势”(可以理解为德布罗意导波的增强版)。这种量子势其实是一种类似波动的东西,它按照薛定谔方程发展,在粒子的周围扩散开去,且这种势可以一直延伸到宇宙的尽头而不发生衰减,而测量仪器试图观察粒子位置时会因为一种隐变量的扰动使粒子本身发生不可预测的变化。隐变量解释同样不再需要观察者和坍缩,而且隐变量恢复了经典的实在性,但却放弃了定域性,扩散于整个空间的量子势会推导出信息可以超光速交流。

3.系综解释,其主要假定是量子论看作一种纯统计的理论,它无法对单个系统作出任何预测,它所推导出的一切结果,都是一个统计上的概念!也就是说,我们的世界中不存在什么“单个”的事件,每一个预测,都只能是平均式的,针对“整个集合”。玻尔等人假设每个电子都按照波函数发散开来,而系综解释则直接将问题踢出理论框架,没有“坍缩”,甚至谈论单个电子都是没有意义的事情,量子论只能给出一个统计意义的系综。显然,大多数科学家认为这是一种过于鸵鸟的实用主义,回避讨论量子论的哲学意义。

4.多历史解释,也称退相干历史解释,其主要假定是将宇宙整体看做一个孤立的波函数,与多世界中方程演化被投影到多个“子世界”中不同,世界只有一个,但历史有很多个。在量子力学中,我们具体可以采用所谓的“路径积分”(路径积分是与矩阵力学、波动力学在数学上等价的第三种表示形式)的办法,构造出一个“退相干函数”来计算所有的这些历史。当我们把宇宙的历史分得足够精细,那么实际上每时每刻都有许许多多的精粒历史在“同时发生”(相干)。比如没有观测时,电子显然就同时经历着“通过左缝”和“通过右缝”两种历史。当我们加入观测之后,我们需要把加入我们巨量粒子的精细历史遍历求和得到一个粗粒历史,当所有的精细历史被加遍了以后,它们之间的干涉往往会完全抵消。于是,“我们观测到电子在左”和“我们观测到电子在右”这两个粗粒历史退相干了,它们之间不再互相联系,而我们只能感觉到其中的某一种。

5.量子贝叶斯解释将量子论与贝叶斯概率结合起来建立量贝模型,它认为,波函数只是一本用户手册,一种数学工具,并非客观实在。观察者使用这种工具,对周围的世界——即量子世界——作出更明智的判定。确切地说,观察者意识到,自己个人的选择和行动会以一种本质上具有不确定性的方式影响该系统,因此利用波函数,将他自己对于一个量子系统具备某种特性的个人信念量化赋值,观察者彼此交流,修正各自的波函数来解释新获得的知识,于是,就有了更清晰的认识。量贝模型认为波函数的塌缩不过是观察者在新信息的基础上,突发、间断地修正自己的概率赋值,量子系统并未真正发生坍缩等奇怪而费解的变化,变化的只是观察者选定用来描述自己个人预期的波函数。

6.多精神解释,认为当进行了一次“观测”之后,宇宙没有分裂,是我们大脑的状态或者说“精神”分裂。

7.闭嘴计算解释,认为量子论无法进行诠释,能用来计算实验即可。

最后附一张总结图对比这些量子论解释

量子论多种解释

现在我们已经有了这么多的解释,其核心分歧就在于如何解释叠加,也许未来还会有更多的解释(量子贝叶斯就诞生于21世纪)出现,这其中也许只有一个是对的更可能这些全部都是错的。需要特别声明的是,这些解释绝不是理论物理学家在胡乱开脑洞,像写玄幻小说那样捏造个生词然后强行自圆其说。这些解释都是有其详细数学推导过程的,只不过因为文章是科普向的,所以没有展示这些晦涩难懂的大段数学内容。

大家对量子论的哲学意义大可以脑洞大开自由畅想,前两篇文章底下就有一些精彩评论。不过我们需要警惕的是一些挂着量子旗号的伪科学、保健品、特异功能等等,包括但不限于量子针灸、量子保健、隔空取物等等。

本科普号接下来的文章会介绍量子论在现实科技生活中有什么应用,介绍量子力学之后的发展:量子电动力学、量子色动力学、量子场论、弦论等等,欢迎关注收藏、点赞评论。