量子论没问题的数学,有问题的诠释

renwen 提交于 周日, 2019/06/09 - 23:43
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wave理论,此理论最早由Louis de Broglie提出,在玻姆手中得到了发展,是一种隐变量理论。)和多世界诠释都有一些吸引人的方面,也都有一些方面不那么吸引人,因此,我们很有必要花些时间来对每种诠释的优势与劣势进行总结。

  我们在前面看到了,标准诠释的优势是,它是一个极简主义者的诠释,也就是说,这种诠释与标准数学相当接近,而且看起来也相当一致。比如,如果数学指出,在某个特定环境下,某个电子并没有确定的位置,那么情况就是这样,我们只需要接受“宇宙并不是由具有确定属性的实体所组成的”这一观点。

  然而,正如我们所看到的,在通常量子理论数学所展示的情境里,标准诠释的支持者确实加入了波函数的坍缩。坍缩据推测出现在测量发生的时候,这使标准诠释的支持者面对与测量问题相关的难题时无法给出很好的答案。测量时到底发生了什么?由于测量过程只是一个物理过程,与我们不算作测量的过程相比,并不是不同类型的过程,那么测量过程和非测量过程之间怎么可能存在任何真正的差异?同样地,如果所有物体都由量子实体组成,那么测量设备与其所测量的量子系统之间怎么可能存在真正的差异?这些问题都是测量问题的变型,或者换个更好的说法,它们是从不同侧面来看待测量问题。波函数的坍缩给标准诠释的支持者提出了难题,而这些支持者也确实无法很好地回答这些问题。

  相比之下,玻姆诠释避免了测量问题,这是其值得注意的优势。根据玻姆诠释,不存在波函数的坍缩,因此这一诠释的支持者也就不需要面对前面提到的难题。根据玻姆诠释,测量设备与其所测量的量子系统之间不存在根本性差异,神秘的波函数坍缩不存在,测量问题也不存在。

  然而,人们广泛认为玻姆诠释无法很好地与爱因斯坦相对论保持一致。爱因斯坦相对论是现代物理学的核心分支,这可能就是玻姆诠释的一个严重缺陷。因此,玻姆诠释尽管有优势,但也有明显缺陷。

  多世界诠释同样因为避免了测量问题而具有巨大优势。在这里,同样不存在波函数的坍缩,因此也就没有伴随坍缩而来的各种难题。除此之外,这种诠释是一个真正的极简主义者诠释。也就是说,表面看起来,这种诠释接受了本标准数学所表达的情境。如果量子理论数学表明,涉及量子实体的系统处于态叠加状态,那就是这样吧。你、我和我们周围的所有物体只是其中一个态的组成部分,无数个这样的态组成了复杂的态叠加,把一切事物都纳入其中。这是数学所展示的,多世界诠释的支持者就这样按字面意思来接受了。

  然而,多世界诠释的优势也是其劣势,因为这个诠释很有可能是所有诠释中最反直觉的一个。很难想象现实会像多世界诠释所展示的那样不同,也就是现实是由无数个与你、我和我们周围所有物体相对应的存在所组成的。同样困难的是想象组成现实的并不是我们所处的这个单一确定的世界,而是无数个态形成的态叠加,而我们所处的世界只是其中一个态。因此,简言之,与其他诠释一样,多世界诠释也是既有优点也有缺陷。

  也许,此时我们可以更好地理解为什么用工具主义态度来看待量子理论如此普遍。让我们花一点时间来回顾一下历史上的某些理论。在西方历史(也就是有记载的历史)的大部分时间里,托勒密理论是解释天文学数据最好的理论。然而,正如我们看到的,这个理论需要本轮。很难想象行星如何真的沿那么小的一个圆圈进行运动,也就是说,很难用现实主义态度来看待本轮。由于认为行星真的按托勒密体系所描述的轨迹运动是非常困难的,天文学家们通常都采用工具主义态度来看待托勒密体系中的本轮。

  至于开普勒关于行星运动的观点,也就是行星沿椭圆形轨道以变化的速度运行的观点,用现实主义态度来对待这个观点所展现的行星运动是很容易的(过去和现在都是如此)。但是这个关于行星运动的观点只表明行星是这样运动的,但并没有更完整地解释为什么行星会这样运动。牛顿物理学似乎对行星运动进行了解释:椭圆形轨道是根据惯性定律和万有引力定律得出的。

  然而,如果用现实主义态度,牛顿的万有引力概念似乎涉及一个神秘的“超距作用”。同样地,很难想象怎么可能真的存在这样神秘的“超自然”力量。同时,从很大程度上说,正是基于这些原因,牛顿本人更倾向于用工具主义态度来看待重力。(重申一下,从小到大都接受牛顿世界观教育的人通常用现实主义态度来对待重力,但这非常有可能是因为他们从小就接受了重力概念,因此通常不会察觉到重力的某些奇特之处。)

  在本文中,我们看到了量子理论同样不能与常识性的现实保持一致。因此,通常用工具主义来看待量子理论,其实只是延续了一个已经长期存在的倾向,也就是在看待那些无法得出完备的现实主义诠释的理论时,通常采用工具主义态度。

  但是,如果我们确实想思考现实问题,也就是我们所感兴趣的是搞清自己身处什么样的世界,那么值得注意的是,每个现有的诠释都有某些方面不那么有说服力。正如开头提到的,不仅仅对哪个诠释是正确的(如果真的有一个是正确的)不存在共识,甚至关于哪个诠释更可取都没有共识。你更喜欢哪个诠释,通常说到底基本上是个审美问题,也就是什么样的古怪特性更得你心,或者,也许更准确地说,什么样的古怪特性让你觉得最不成问题。

  结  语

  不可否认,这是很长的讨论。但是,对于像量子理论这样如此复杂的话题,这很正常。回到我们开始提到的,重点是要把量子事实、量子理论数学和量子理论诠释之间的区别始终印在脑中。

  在探讨过程中,我们看到了,量子事实是令人惊讶的,但是对于量子事实是什么不存在争议。量子理论数学是波数学的一个变型,而且在物理学中并不少见。

  最有争议和难以理解的命题围绕诠释问题出现,也就是什么样的现实与已知事实相一致的问题,以及什么样的事实与量子理论数学(或者,在玻姆诠释的例子里,与标准量子理论数学的一个替代选项)相一致的问题。正如我们看到的,通常的诠释(除了爱因斯坦的诠释,不过这个诠释已经站不住脚了)所展示的现实,没有一个与我们在过去2500年里已有的现实有任何相似之处。

  本文经出版社授权摘自《世界观: 现代人必须要懂的科学哲学和科学史》(机械工业出版社,2018.11),发表时有删节及少量修改。

  作者简介:理查德·德威特(Richard DeWitt),美国费尔菲尔德大学(Fairfield University)教授。他利用丰富的课堂教学经验对《世界观》一书的文稿进行反复打磨,并配以丰富的图表补充说明。同时,作者具有将复杂的技术概念分解成读者可理解的语言的独特能力,读来令人大开脑洞。

  本文为严肃科普媒体《返朴》(微信号:fanpu2019)首发,《返朴》由国际一流科学家和科普专家担任总编及编委。任何媒体转载时须保留《返朴》名称及微信号和作者信息。未经许可,严禁对包括标题在内的任何改动。转载、授权、合作请联系fanpu2019@outlook.com

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