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量子论:没问题的数学,有问题的诠释

中科院半导体所 ·2019-04-08 14:00·中科院半导体所
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对于量子事实是什么,不存在争议。存在争议的是如何诠释这些事实。你更喜欢哪个诠释,归根结底通常是个审美问题。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。

量子理论是一个容易让人迷惑的理论,因此,如果我们想准确地了解其概况,就需要非常谨慎。我们的策略是,首先解释三个相关命题之间的一个关键性区别,这三个命题分别是①涉及“量子实体”的经验事实,②量子理论本身,也就是量子理论的数学核心,以及③与诠释量子理论有关的命题。

事实、理论和诠释

在任何关于量子理论的非技术性探讨中,至少需要区分三个独立的命题,分别是①量子事实,也就是涉及量子实体的经验事实,②量子理论本身,这里我所指的是量子理论的数学核心,以及③对量子理论的诠释,这与一系列哲学问题有关,比如什么样的现实可以产生量子事实,以及什么样的现实可能与量子理论本身保持一致。不幸的是,在通常关于量子理论的非技术性探讨中,这些命题往往都被混为一谈。举个例子,经常可以看到有观点称量子理论表明西方科学和某些东方哲学在对宇宙的看法上由于观点相同而融合了。但这其实是错误的,或者往好里说,是相当容易让人产生误解的。某些对量子理论的诠释认为有这样的融合存在,但是对一个理论的诠释和理论本身,两者应该是保持相互独立的命题。再举一个例子,同样经常可以见到有观点表示量子理论表明宇宙在持续分裂成多重平行宇宙。然而,同样地, 某些对量子理论的诠释表达了这种情况的存在,但量子理论本身并没有。

围绕量子理论的命题非常复杂,这已得到公认。但是,如果我们逐步而又谨慎地探讨这个话题,那么我们就可以很好地概括了解量子理论及其相关命题,重点是,这种概括了解也会相当准确。我们的第一步将是简要描述上面提到的三个命题之间的区别。

量子事实

当我谈到量子事实时,我所指的只是涉及量子实体的经验事实。这样的事实将包括有关电子、中子、质子和其他亚原子粒子的实验结果;有关光子,也就是光线单元的实验结果;以及有关放射性衰变时释放出的粒子等的实验结果。

在下文中,我们将看到这些事实都非常出人意料,但并不存在争议,也就是说, 对于这些事实是什么,不存在争议。存在争议的是如何诠释这些事实 ,比如,什么样的现实可以带来这样不同寻常的事实。但是, 涉及诠释的命题需要与对量子事实本身的描述区分开来 。

值得指出的是,对于什么物体可以被精确归为量子实体,我故意保持了模糊。前面提到过的实体,也就是包括电子和质子在内的亚原子粒子和光子及与放射性衰变有关的粒子,都很明确是量子实体。因此,在接下来的大部分讨论中,我们讨论的量子事实都将是关于这些粒子的事实。但是,请记住,所有物体,包括你、我、桌椅等,都是由这些较小的实体组成的。然而,正常大小的物体是否应该被当作量子实体,存在一定争议。因此,接下来,我将主要强调的量子事实所涉及的都是不存在争议的量子实体,比如上面提到的那些粒子。

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量子理论本身

与大多数自牛顿著作和其他17世纪晚期科学家著作问世以来出现的物理学成果一样,量子理论是一个以数学为基础的理论。当我谈到“量子理论本身”时,我脑中出现的主要是在量子理论中处于核心地位的数学部分。量子理论的核心数学部分发现于20世纪20年代末期,它与其他物理学分支中的数学差不多。最值得注意的是,量子理论数学是用来预言和解释前面提到的那些量子事实的。最后,我还想简要讨论的一点是,量子理论数学到目前为止取得了巨大成功。量子理论数学在过去70年中几乎从来没有发生过变化,也没有做出过不正确的预言。在预言和解释方面,量子理论可以说是我们所遇到过的最成功的理论了。

对量子理论的诠释

对量子理论的诠释实际上是一个关于现实的本质的哲学话题,具体来说,对量子理论的多种不同诠释,其核心都围绕一个问题,那就是“ 什么样的事实可以同时与量子事实和量子理论本身保持一致 ”。也就是说,可能量子事实是由某种业已存在的现实造成的,而且鉴于量子理论数学在预言和解释这些量子事实方面非常成功,那么认为量子理论数学从某种意义上说与现实有联系就是非常合理的。因此,诠释所围绕的问题就变成了“什么样的现实既与已知量子事实和量子理论数学相一致,又可以导致这些量子事实”。

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关于量子理论诠释的最后几点意见

我们在前面强调过,量子理论诠释肯定受制于已知量子事实,而且应该至少会与量子理论数学保持一致。然而,正如我们已经看到的,量子事实本身就相当奇怪,而量子理论数学与常识性的现实也不一致。在很大程度上说,正是由于这些原因,所有量子理论解释通常都与常识相当矛盾。唯一例外的是爱因斯坦的诠释 (编注:爱因斯坦关于量子论的观点主要体现在其与玻尔的数次论辩及其1935年的EPR佯谬文章中) ,但是在前面我们也提到过了,这个诠释已经站不住脚了。

我们必须看到,对于诠释问题,秉持工具主义态度是很常见的。也就是说, 如果你用工具主义态度来对待量子理论,那就不会遭遇诠释问题。 (编注:此种工具主义态度体现在David Mermin的 “Shut up and calculate” 一语中,此语曾被误传为出自Richard Feynman之口。) 从工具主义角度来看,量子理论是一个便于做出预言的工具,就像托勒密的本轮被当作是一个便于做出预言的数学工具。但是, 如果面对的问题是理论背后的现实,那么工具主义者将会采取不可知主义态度。 同样地,这也是一种看待量子理论的值得尊重的态度。确实,关于这个态度有很多值得讨论之处,而且这也是物理学家进行研究时,至少是在他们的工作时间内,可采用的最为实用的态度。

但是,对我们这些不是物理学家的人来说,甚至是对结束了一天的工作、离开实验室后的物理学家来说,有一个问题自古希腊时期就在西方思想中占据一席之地,让人难以拒绝,那就是:我们究竟生活在怎样的宇宙中?这个问题的答案一直为每个时代的尖端科学所左右,量子理论当然是我们的历史上最重要和最成功的理论之一。因此,量子理论自然会影响我们目前如何认识自己所处的宇宙。然而,值得注意的是,当前的量子理论诠释所展示的宇宙,与我们一直所认为的宇宙相比,是相当不同的。

标准诠释 (编注:即哥本哈根诠释) 的各个版本、玻姆诠释 (编注:即经玻姆发展了的pilot 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。

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