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没有人真正理解量子力学,包括你

时间:2020-04-08 11:02:35 来源:中科院物理所 评论:彩17香港分分彩 点击:0
  量子力学不是火箭科学,但它很有可能取代火箭科学,成为一个令人无法理解的数学难题。量子力学出了名的令人难以理解,它违背直觉又看起来毫无意义。科普报道总是将它描述为“奇怪的”、“怪异的”、“令人难以置信的”或以上所有特点。

  然而,我们并不这么认为,量子力学是完全可以理解的。只是物理学家在半个世纪前放弃了唯一的理解方法。时至今日,物理学的基础理论几乎停滞不前。当年没能解决的重大问题今天仍然悬而未决。我们仍然不知道暗物质是什么,我们仍然没有解决爱因斯坦引力理论和粒子物理标准模型之间的分歧,我们仍然不了解量子力学中测量意味着什么。

  我们怎样才能克服这些难题?是时候重新审视一个早已被遗忘的解决方案:超决定论(Superdeterminism),即宇宙中没有哪两个部分是真正相互独立的。这个方案让我们对量子测量有了物理上的理解,并有望借此改进量子理论。修正量子理论将成为物理学家们努力解决物理学中其他问题和寻找量子技术新应用的驱动器。

  量子力学无处不在

  到目前为止,物理学家和哲学家都认为,有缺点的不是量子力学,而是我们对它的理解。因此,对量子力学的理解可以着重在其数学的重新解释上面,希望问题最终能够取得突破。但突破还没有出现,因为量子力学的每一种解释都存在问题,他们都不是完全自洽的,只有更好的理论才能解决这些问题。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。

  问题是,没有人知道为什么当人们试图测量量子效应时,量子效应会消失。

  公平地说,抱怨量子力学的缺点并因此要求完全取代它的其他理论,是对一个如此成功和精确的理论的最大侮辱。我们必须强调的是,无论量子力学奇怪与否,它都已经存在了超过100年,它完成了很多了不起的工作并帮助相信它的物理学家赢得了大量奖金。

  没有量子力学,我们就没有激光,就没有半导体和晶体管,就没有计算机、数码相机和触摸屏。我们不会有自旋磁共振,电子隧道显微镜和原子钟。我们也不会拥有基于所有这些技术的无数应用程序中的任何一个。我们没有Wi-Fi,没有人工智能,没有LED,现代医学基本上也会不复存在,因为现在大多数成像工具和分析方法都依赖于量子力学。最后但也很重要的是,量子计算机不会出现。

  因此,毫无疑问,量子力学与社会息息相关。同理,毫无疑问,更好地理解它可以获得更多成果和进步。

  没有人理解量子力学

  那么,为什么连著名的物理学家都一再声明量子力学是无法理解的呢?

  量子力学的核心概念是波函数。在量子力学中,一切都是由波函数描述的。波函数是形容基本粒子的,而基本粒子又组成了一切,所以一切事物都是由波函数来形容。所以有电子的波函数,原子的波函数,猫的波函数等等。严格地说,一切事物都有量子行为,只是在日常生活中大多数量子行为是观测不到的。

  问题是,没有人知道为什么当人们试图测量量子效应时,量子效应会消失。自从物理学家们提出量子力学以来,这个“测量问题”就一直困扰着他们。部分谜题都已得到了解决,但对这一部分的理解仍不令人满意。

  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。

  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(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

  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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