你知道,量子力學可以有三種寫法麼?
2020年08月18日15:18

  來源: 中科院物理所

  每個物理學家都會同意上個世紀最大的範式轉變之一是從經典物理到量子物理的轉變。量子力學改變了科學的面貌,它能解釋一切。解釋電?可以。解釋鳥是怎麼朝一個方向飛的?可以。解釋萬有引力?不行。但是,今天我們談論的內容與此無關,我們將討論關於如何理解量子力學的激烈爭論。

  背景

索爾維會議(這張照片包含很多量子力學的先驅人物) | Wikipedia
索爾維會議(這張照片包含很多量子力學的先驅人物) | Wikipedia

  量子力學始於馬克斯·普朗克發現光實際上是由具有固定能量的粒子組成的。儘管後來他否定了自己的這個想法,但幾年後,阿爾伯特·愛因斯坦利用普朗克的理論解決了另一個當時普遍存在的問題(光電效應)。

  在接下來的十年里,尼爾斯·玻爾,埃爾溫·薛定諤,維爾納·海森堡,馬克思·玻恩,保羅·狄拉克等共同建立了量子力學。

  簡單來說,量子力學告訴我們,不能再用位置這樣的物理量來描述電子、質子這些粒子。例如,電子沒有固定的位置。取而代之,我們用它們可能處於的位置來描述它們,那它到底在哪裡呢?哪一個可能存在的位置是它真實的位置?量子力學告訴我們電子並沒有處於特定的位置上!只有當我們測量它們時,電子才具有特定的位置。

  現在,為了表示電子處於某個位置的概率,我們引入一個叫做波函數的數學工具。電子的每一個可能的位置都被稱為一個態,波函數給出了電子處於任何一種狀態的概率。波函數的行為類似於波,這也導致了粒子行為在某些實驗中表現得像波。你可能聽說過粒子也可以是波,但實際上波的行為是由波函數決定的。

氫原子的波函數
氫原子的波函數

  波函數好像解決了很多問題。但是,仍然有一個揮之不去的問題:測量問題。波函數趨向於在給定的時間內逐步擴散開(就像任何正常的波一樣)。這意味著電子的可能存在的位置變多了。但是,當我們測量電子的位置時,我們看到它有一個固定的位置。那麼在測量位置的過程中,擴散開的波函數發生了什麼變化?這就是我們今天要討論的問題:理解量子力學核心思想的方法。

  哥本哈根解釋

  首先,我們來看看對量子力學最古老(也是流傳最廣)的解釋:哥本哈根解釋。這是量子力學先驅們自己提供的解決方案,並得到了尼爾斯·玻爾的大力支援。

  哥本哈根解釋告訴我們,當我們對波函數進行測量時,除了一個特定狀態的概率外,其它所有的概率都變為零,被測量到的狀態概率變為1。這確保了電子有一個固定的位置,而不存在於其他任何地方。這種一個特定狀態的概率變為1,其他概率都變為0的過程被稱為波函數塌縮。

波函數塌縮
波函數塌縮

  現在,我們能預測哪個概率變為1,哪個變為零嗎?不能。這是哥本哈根解釋的核心。我們無法知道波函數在哪裡以及如何塌縮。波函數描述的每一個可能的位置都有機會成為電子所處的特定位置。

  哥本哈根的解釋在當時被物理學家廣泛接受。它的頭號反對者是阿爾伯特·愛因斯坦,他痛恨波函數塌縮只是隨機發生的說法。

  事實上,量子糾纏這個量子力學中的預言正是愛因斯坦構造出來攻擊哥本哈根解釋的。

量子糾纏 | Brilliant
量子糾纏 | Brilliant

  事實上哥本哈根解釋存在一些漏洞:其中一個是塌縮必須是瞬間發生的。狹義相對論(上個世紀的另一個範式)向我們表明,任何相關事件都不可能瞬間發生。但是哥本哈根的解釋明確地暗示了這一點:如果塌縮不是瞬間的,那麼電子存在於別處的可能性很小。

  還有一個問題是,在塌縮過程中信息不守恒。和其他的態相關的信息發生了什麼?哥本哈根的解釋沒有給出答案。

  此外還存在的一個問題是塌縮實際上在哪裡發生,可以用被稱為“維格納的朋友”的思想實驗的特點來描述。這項實驗提出了一個問題,塌縮發生在哪裡?也許是當電子被測量的時候?或者當波函數的信息進入我們的大腦時?哥本哈根解釋沒有給出明確的答案。

  這就是為什麼越來越多的物理學家發現哥本哈根的解釋相當不準確。正是這些原因導致了更多解釋的出現。我們繼續其他解釋。

  多世界解釋

  多世界解釋最具科幻色彩。它由休·埃弗雷特提出,波函數所描述的每一種可能的狀態,在測量後實際上都成為電子的真實位置。這怎麼可能呢?我們需要知道平行宇宙的概念。

多世界解釋 | Pinterest
多世界解釋 | Pinterest

  多世界解釋是,當我們測量電子時,測量導致波函數退相干,簡而言之,“退相干”意味著波函數相互分離。我們知道,當我們測量電子時,確實會發生退相干,但接下來的部分就是純粹的推測了。

  多世界解釋接著說,當測量發生時,宇宙發生分裂,出現多個平行的宇宙。在每一個新宇宙中,其中一個狀態成為新的真實位置。這些宇宙接著繼續分裂,每次測量都會伴隨著分裂。

  現在,這一解釋成為科幻小說的金礦,但這個解釋並不能被證實。它要求新的宇宙不能相互作用,那麼我們怎麼可能探測到它們呢?

  這一點,再加上一個違反直覺的假設,許多人認為這種解釋可能是不正確的。然而,一項針對量子物理學家的民意調查顯示,58%的人認為這種解釋是正確的。但是,這種解釋仍然是不可證偽的,這意味著我們無法證明它是對是錯。

  我認為肖恩·卡洛爾說得最好:

  雖然聽起來很瘋狂,但大多數物理學家都相信多世界理論。

  導航波解釋

  這個解釋由德布羅意提出,並由大衛·波姆修正,實際上它把波函數和粒子當作獨立的實體。

類似於導航波的波 | Quanta Magazine
類似於導航波的波 | Quanta Magazine

  導航波理論告訴我們,波函數是一個真實的波,叫做導航波。但是,它不只是描述一個粒子,它還會引導它運動。粒子位於導波的頂部,然後被導波帶走。但是,與哥本哈根不同的是,粒子的位置和軌跡是固定的。但是,關於位置和軌跡的信息是我們無法獲取的,所以我們只能觀察到隨機的結果。這從根本上改變了量子力學的核心哲學:它引入了決定論(給出一些初始信息來預測一切的能力),而不是概率。

  當然,這個理論告訴我們,隨機性仍然很普遍。雖然粒子有明確的性質,但我們作為實驗人員,不能直接觀察它。這就是為什麼量子力學的隨機性在這個理論中突然出現的原因。

  但這不是全部。這個解釋繼續說,在整個宇宙中只有一個波函數。每個粒子都由這個奇異的導航波攜帶。

  到目前為止,導航波解釋似乎是量子力學唯一可信和直觀的解釋。但是,這個理論也有一些漏洞,其中最大的一個就是隱變量。

  簡而言之,隱變量是隱藏在波函數中的一些我們無法接觸到的信息。所謂的接觸,我指的是我們甚至在理論上都無法接觸到它們(請注意,我在這裏過於簡化了)。現在,隱變量在量子力學中是一個很大的“不”,正如數學家馮·諾伊曼(von Neumann)所表明的,任何包含隱變量的理論都不可能是準確的。

  但是,導航波理論要求全局隱變量,這意味著隱變量在整個宇宙中具有相同的值,因為它們是一個大波函數的一部分。這種解釋試圖用這種隱藏變量來解決量子糾纏問題,但自從證明了糾纏與任何隱藏變量無關後,這種嚐試就被拋棄了。

  它與狹義相對論不相容的事實,給了玻爾和其他先驅們不接受它的理由。直到現在,才有一些人開始傾向於這種解釋。

  應用到雙縫實驗中

雙縫實驗 | Wikipedia
雙縫實驗 | Wikipedia

  雙縫實驗是物理學中最著名的實驗之一。實際上,量子力學的起源與這個實驗緊密相連。雖然最初設計是為了證明光是波,但當我們試圖用電子代替光時,我們得到了一個驚人的結果。

  一些電子通過某種裝置被發射。電子通過兩條小縫,然後它們撞擊縫後的屏幕(見上圖)。我們在屏幕上看到的是這樣一種圖案:只有當我們認為電子是波時,我們才能解釋得到的圖案。

  對這一現象的解釋是,電子是由波函數描述的,它的行為像波。所以,當一個電子被發射時,它沒有明確的軌道或位置。只有波函數存在,它表示了電子處於各種可能狀態的概率。

  波函數通過這些狹縫,進行干涉,從而產生屏幕上的圖形。記住,當電子撞擊屏幕時,它就被測量,現在它有了一個明確的位置。但是隨著電子數量的增加,它們開始表現出波函數的分佈形式。

  現在,讓我們把我們的解釋應用到這個現象上。我們想知道當電子撞擊屏幕(被測量)時,波函數發生了什麼。

  哥本哈根:這個解釋說,只要波函數觸碰屏幕,它就會被測量。波函數坍塌,這意味著電子處於一個確定的位置。波函數中剩下的信息丟失了,這個過程是不可逆的。

  多世界:多世界解釋告訴我們,只要波函數觸碰屏幕,它就會退相干。然後,整個宇宙分裂成更多的“分支”。電子的位置不同。這兩個宇宙從此分道揚鑣,再也不會相互作用。

  導航波:導航波解釋告訴我們電子已經有了固定的位置和路徑,但是我們無法測量它。波函數把電子帶在上面,一旦電子到達屏幕,電子就會到達預定的位置。

  你可能會看到我們得到了相同的結果,但是解釋發生了什麼的方式是根本不同的。哪一個是正確的?我們稍後會講到。

  更多的解釋

  當然,這些並不是唯一的解釋。還有很多其他解釋。這裏我描述了三個最突出的例子。但是,如果你好奇,還有一些可以去瞭解:量子貝葉斯理論、一致性歷史觀點、量子達爾文主義、隨機力學、馮。諾伊曼-維格納解釋

  哪個解釋是正確的?

是否有必要更加深入研究這些解釋?| Unsplash
是否有必要更加深入研究這些解釋?| Unsplash

  那麼正確的解釋是什麼呢?答案是:“我們不知道”。我們需要更深入地研究這些解釋,進行更多的實驗,尋找矛盾,驗證預測,發現漏洞。基本上,這是一個測試、回顧和改進的問題。

  但就目前而言,在獲得任何決定性的證據來確定量子力學的正確版本之前,我們只能自己判斷。對哥本哈根解釋的不滿或不舒服,催生了多世界解釋和導航波解釋。同樣地,許多人根據自己的直覺來選擇他們想相信的東西。

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽