丁家齊、韓東聽譯
編輯 丁家琪
寫科學新聞有多難，我想我不需要向你們介紹。 關于醫學和科技的新聞可能還好，這實際上是一個與大多數人日常生活密切相關的學科，但寫數學就更困難了，因為化學和物理是用超出我們日常生活范圍的語言寫的內的語言。 在數學范圍內，最難的科目是量子熱，它是如此違反直覺（-），以至于只能用物理學的語言來準確描述。 雖然這都是出于憐憫（笑聲），因為我昨天要談論的是量子熱中奇怪的、甚至違反直覺的元素，它們是如何形成的，以及它們是如何解釋這種性質的。 兩種思想流派，而且它也會解釋為什么我和其他一些理論化學家（不是全部）對這個理論如此不滿意，以及科學家下一步應該做什么——也許我們可以發明一種新理論，將量子熱力學外推到更廣泛的范圍。
“但是這種概率難道不是表明我們對我們的研究對象了解不夠嗎？”
量子熱的奇怪之處可以追溯到 19 世紀末和 20 世紀初，當時化學家們正在努力弄清楚世界是由什么構成的。 他們原本認為物質有兩種不同類型：原子、電子、原子核等，原子內部都是粒子（），而分散在空間中的則稱為場（場），如電磁場、引力場等。 。 到了19世紀末，科學家們早已知道光的本質是一種可以獨立存在并自我維持的電磁場。 然而，1905年，愛因斯坦發現，加熱物體形成的光實際上可以分解為無質量的粒子，這些粒子后來被稱為光子（）。 另一方面，在20年代，路易斯·德布羅意（）、埃爾文·薛定諤（Erwin Schr?）等人發現，迄今為止一直被視為粒子的電子實際上是具有波的。 自然。 為了理解原子基態的性質，我們不能僅僅將電子視為遵循牛頓定律圍繞原子核旋轉的粒子，而是將其視為波——圍繞原子核擴散的波，就像音管中的聲波一樣一個器官的。
這種波也有不同的狀態，不同的穩定狀態代表原子的不同基態，就像管風琴形成的不同音調一樣。 除此之外，這些“電子波”與水波等物質波不同。 當一波海水撞擊到礁石時，它會向各個方向漂浮，但電子撞擊原子核后，它仍然只是一個電子，要么往那邊走，要么往那里走，但它不會分裂并朝各個方向漂浮。同時。 馬克斯·玻恩（Max Born）通過計算表明，電子的波是概率波，它代表了電子出現的概率。 電子可以去任何地方，但它最有可能到達的地方是波密度最大的地方。
那么，奇怪的事情來了：在量子熱領域，化學家早已習慣用“概率”來描述現象，但概率不就說明我們對研究對象還沒有完全了解嗎？ 在牛頓的理論中，自然是完全確定性的，也就是說，如果你知道太陽系中所有物體的位置、速度和相互作用，理論上你就可以計算出它們在任何時候的位置。 只有當你沒有完全理解某件事時，你才會用到“概率”的概念，就像你把一個骰子扔到地上，你不知道它會如何移動，也不知道它會在哪里結束一側。 但概率從來都不是自然基本定理的一部分，量子熱力學廣泛使用概率來描述現象。
1926年，玻恩提出電子波函數的本質是概率后，愛因斯坦給他寫了一封信說：“量子熱很好，但我內心的聲音告訴我，它不是事物的真正本質。這個理論可以“雖然得到了不錯的結果，但它并沒有告訴我們上帝的秘密。無論如何，我相信上帝不會擲骰子?！?直到 1964 年量子物理學七個理論，化學家理查德·費曼 ( ) 在康奈爾學院的一次演講中仍然表示：“我想我可以自信地說，沒有人真正理解量子熱?！绷孔訜徇~出了這樣的一步，以至于數學家們掌握了量子熱之前的所有數學知識。數學的內容統稱為“經典數學”，與“量子化學”相對。
不過，在大多數情況下，量子熱的奇點本身并不會造成問題。 化學家們早已學會利用量子力學來獲得更加精確和成功的估計。 勞倫斯·克勞斯稱氫原子的量子熱估計是所有科學中最準確估計的數量，這一點并不夸張。 量子熱已成為我們理解原子、原子核、導電性、磁性、電磁輻射、半導體、超導體、白矮星、中子星、核力和基本粒子的基礎。 即使是當今理論化學領域最大膽的想法——弦理論，也是建立在100年前形成的最基本的量子熱的基礎上的。 因此，包括我自己在內的一些化學家此前認為愛因斯坦和薛定諤對量子熱的反對有些言過其實。
牛頓的理論在他提出之前也讓很多人感到不舒服，即兩個相距很遠的物體可以相互作用，即使它們之間沒有有形的拉或推。 這種扎實的科學帶來了一些神秘的超自然激勵，引起了當時笛卡爾追隨者的反對。 據悉，牛頓萬有引力定理無法用一些基本的哲學定理來引入，這也是萊布尼茨及其追隨者反對的原因之一。 牛頓定理沒能達到很多前人對宇宙定理的期望，比如托勒密（我們已經放棄了托勒密的地心說）、開普勒。 開普勒年輕時，他覺得行星的大小和軌道可以由一套基本原理來指導，而牛頓引力理論中的那些只能通過觀察來獲得，這是非常沮喪的。 然而，隨著時間的推移，牛頓的萬有引力理論逐漸顯示出它的優勢，最終成為壓倒性的最成功的理論，它可以解釋大到行星，小到蘋果的物體運動，包括地球的形狀、彗星等。 ，甚至還有月亮。 可以解釋一下。 到十八世紀末，幾乎所有人都同意牛頓的理論是正確的，或者至少是一個非常成功的近似。 因此，沒有必要強迫一個新誕生的理論遵守某些現有的哲學標準。 我們需要讓它順其自然，看看我們能從中得到什么，實際上我們需要反向改變我們的理念。
“但最近，我發現我對量子熱不再像以前那么舒服了。”
那么量子熱存在哪些問題呢？ 在量子熱力學中，我們使用波函數（波）來描述粒子。 波函數本質上是一系列數字，每個數字代表系統的一種可能狀態。 如果系統只包含一個粒子，那么波函數中的每個數字都對應著這個粒子所有可能的位置，數字的大小代表了它在這個位置出現的概率。 那么存在哪些問題呢？ 愛因斯坦和薛定諤晚年徹底放棄量子力學，其實是錯誤的。 這是一個悲慘的錯誤，使他們在量子熱快速發展的浪潮中落后了。 過去我對量子熱的研究方式和成就非常滿意，并不太關心關于它的基本概念的爭論，但現在我不太確定（now I'm not so ） 。 在教授了一門量子力學課程以及最近寫了一本關于量子熱的書之后，我發現我不再像以前那樣對量子熱感到滿意，也不再像以前那樣對它的批評不屑一顧，尤其是在我看到很多對量子熱學感到滿意的科學家時，他們自己對量子熱學含義的理解并不一致。
問題的焦點在于“測量”的行為。 舉個最簡單的反例，電子載流子的檢測：載流子也叫角動量，是一個用來判斷物體繞軸“旋轉”速度的數學量。 所有理論都表明，而實驗卻否認了，當你檢測到一個電子載流子時，它只能取兩個值之一，+h/4π或-h/4π（h是普朗克常數），可以理解為電子旋轉繞軸順時針或逆秒旋轉。 但只有當你檢測到時，電子才會取這兩個值之一。 當你沒有探測到的時候，電子的載流子狀態就是這兩種狀態的疊加狀態，就像兩個聲音疊加在一起形成同一個聲音，但是當你探測到的時候，你就迫使電子進入了這兩個載流子之一狀態，無論是積極的還是消極的。
電子載流子的直觀描述。 圖片來源：
如何檢測攜帶者？ 將電子放入磁場中，磁場的方向與你想要檢測電子載流子的方向一致。 載波可以用波函數來描述。 如果只考慮關于載波的波函數部分，則只包含兩個數字，一個代表正載波，另一個代表負載載波。 量子熱中有一個規則叫玻恩規則，以剛才提到的馬克斯·玻恩命名，它告訴我們如何用波函數來估計電子載流子為正或負的概率——這個概率就是波函數的平方份量。 這有什么不好的地方呢？ 問題不在于概率。 量子熱發展了這么多年，我們完全可以容忍概率的存在。 問題在于，電子載流子隨著時間的推移服從薛定諤多項式（更準確地說，是與時間相關的薛定諤方程），但薛定諤多項式本身不包含概率，它像牛頓運動多項式一樣是完全確定性的。 但如果所有物體和系統的波函??數以及所有數學規則都是確定性的，那么概率從何而來？ 這就是量子熱的問題。
“如果所有數學規則都是確定性的，那么概率從何而來？”
對此的常見解釋稱為“退相干”( )。 任何對電子的探測都需要外部探測儀器與電子之間的相互作用，而外部世界充滿了不斷的擾動和波動，而我們尚未完全了解這一點。 例如，如果你想看到某個東西，你需要將一束光子照射在它的頭上，但這個過程是復雜且不可預測的，至少在實踐中是這樣（甚至可能在原則上也無法預測），就像包含數千個的洪水一樣的雨滴。 為此，檢測侵入了系統，將概率變成了真正的化學現象。 還以電子載流子作為反例，有時音樂廳里會出現噪音，當兩個音符同時響起時，我們只看到一種聲音——代表正載流子的那種，或者是代表正載流子的那種。負載流，這也是不可預測的。 但這些解釋回避了問題的本質：無論如何，量子熱和薛定諤多項式不僅統治著電子，還統治著儀器和化學家本身。 它們都受確定性數學定理的支配。 ”和“內部”人為區分它們來解釋概率的出現是蒼白無力的。尼爾斯·玻爾也提出了一種解釋，著名的阿姆斯特丹量子熱推論（），他覺得量子熱并不能描述探測，它不描述像數學儀器或化學家這樣的宏觀物體，只描述像原子這樣的微觀物體。大自然是如此巨大和復雜，以至于當你用宏觀儀器檢查量子系統時，你引入了機會。我認為大多數（如果不是全部）化學家今天我們無法接受這個解釋，因為它假設宏觀和微觀之間存在一個邊界，而我們不知道這個邊界存在于哪里，也不知道如何定義它，我們甚至懷疑這個邊界似乎并不存在。那時，我正好是阿姆斯特丹尼爾斯·玻爾研究所的研究生，但他當時德高望重，而我只是一個小人物，所以我沒有找到機會問他這個問題問題（觀眾笑）。
“如果人類意識在特別基礎的層面上參與了自然的基本定理，我們就無法用客觀定理來解釋意識?！?span style="display:none">TSr物理好資源網(原物理ok網)
為了解釋這個問題，目前數學學術界分為兩個學派，或者說已經形成了兩種方式，一種叫“工具主義”（），另一種叫“實在論”（），我不這么認為。不認為任何一個都那么令人滿意。 工具主義方法并不將波函數視為真實的，而是將其視為預測概率的工具。 我不喜歡這些方法，因為有以下誘因：首先，“打破砂鍋問真”的精神是科學探究的悠久傳統，但工具主義者卻放棄了“波函數是什么？”的問題。 這個傳統已經被放棄了； 還有更深層次的動機，由于這種方法放棄了波函數是什么的問題，而只是估計它，所以告訴我們如何估計波函數的定理必須被視為宇宙的基本定理，而這個過程從波函數到最后的結果都需要經過檢驗量子物理學七個理論，而這個定理只有經過人們的檢驗才能告訴我們結果，這意味著人們在一個特別基礎的層面上參與了自然的基本定理。 對我來說，這相當于放棄了科學的另一個基本理念：既然人類參與了最基本的自然法則，我們就不能通過與人類無關的基本定理來解釋人類。 ，以及人與自然的關系。 尤金·維格納（ ）可以通過這些方式接受量子熱。 他說：“不可能構造出一套與意識無關的量子熱定律?！?但如果你涉及到自然的基本定律 意識，在我看來，你就相當于放棄了自然基本定理來解釋意識。
一些支持工具主義者觀點的著名化學家會這樣反駁：人類做決定時不一定要形成概率。 無關緊要。 但我認為這些觀點完全站不住腳，因為我認為只有當人們決定測試哪些量時，概率才會形成。 以海森堡測不準原理為例：你可以用波函數推論來發現一個粒子處于某個位置的概率，也可以推斷出找到它具有某個動量值的概率，但你不能討論這個概率因為不存在這樣的粒子可以處于位置和動量都完全確定的狀態。 我們還可以以載流子為例：我們可以討論一個粒子沿西向軸為正載流子的概率，我們也可以討論其沿東向軸為正載流子的概率，但我們很難討論它同時，沿兩個軸存在特定載體的狀態。 由于這種狀態根本不存在，所以載體一次只能存在于一個方向，也就是你檢測到的方向。
解決概率問題的第二種方式稱為“實在論”（ ）方式，即相信波函數是真實存在的。 他們認為波函數確實描述了自然，并且是自然的一部分。 物體隨時間的狀態變化是由（確定性的）時間相關薛定諤多項式引導的，而不是其他任何東西。 那么現實主義者對測試有何看法呢？ 實在論者會說，在我們探測到電子載流子之前，它的波函數是兩種載流子方向的疊加，而探測到之后永遠是兩種可能性的疊加，在其中一個世界中，觀察者發現它的載流子是陽性，并在《物理評論》（）上發表結果，大家都認為它的載體是陽性的，而在另一個世界，觀察者觀察到它的載體是陰性的，大家都認為它的載體是陰性的。 因此，雖然這個波函數仍然是兩種狀態的疊加，但世界的歷史已經分成了兩個分支，一個分支的人們并不知道另一個分支的存在。 這些“多歷史”（multi-）理論，又稱多世界理論，最早由耶魯大學博士生休·埃弗雷特（休三世）于1953年提出，其新穎的概念被運用到各種懸疑作品中，也提供了多元宇宙（ ）理論的可能支持。 如果你身處多元宇宙理論的世界并問“為什么會這樣？” 你可能在不同的宇宙（不同的歷史線）有不同的答案，甚至在某些分支中你根本不可能存在，否則這個問題就不會被問到。