嚴格來說,任何科學都需要解釋。 然而,由于量子力學研究對象和理論構建過程的特殊性,對量子力學形式體系的解釋就顯得尤為重要。
量子力學最需要解釋的問題是量子概率、量子相關性(EPR和同質粒子)和量子測量。 在量子力學的發展史上,各個流派都對這些問題提出了自己的看法。
哥本哈根的正統詮釋
玻恩于1926年10月提出概率波解釋,成為后來所有解釋的基礎。 為了闡明量子力學與需要用概率解釋來解釋的經驗材料之間的真實關系,海森堡受到愛因斯坦“是理論決定我們能觀察到什么”觀點的啟發,提出了測不準原理:不相容的機械量不能同時進行準確測量。 從1927年3月對波粒二象性的哲學思辨開始,玻爾提出了著名的互補原理:粒子的概念和波的概念既相互補充又相互排斥。 因此,為了全面理解所有實驗,需要這些概念。 在特定的實驗過程中,不可能同時觀察到一個對象的相互補充的特性。 例如,動量和位置不能同時測量。
以玻恩的概率解釋為基礎想物理學家一樣思考,以玻爾的互補原理為核心,以不確定性原理為本質,這就是量子力學的哥本哈根正統解釋。 物理陳述和經驗陳述在哥本哈根解釋中是兼容的。
但正統解釋仍存在以下問題,且近年來逐漸惡化:
1)馮·諾依曼的測量解釋必須將人類主觀意識的非物理因素直接引入到量子力學解釋中。 這是非常不和諧的。
2)玻爾的互補原理體現了玻爾的如下思想:一切經驗都必須通過經典概念來表達,這就是物理觀察的本質。 人們不禁要問:既然量子力學已經取代了經典物理學,為什么量子實驗必須用經典物理學的概念來描述呢? 為什么不能在現有的量子力學形式體系中根據實驗特征對量子概念給出更加一致的解釋? 因此,有人說互補原則只是語言上的改進,回避了現有的問題。
正是由于上述問題的存在,導致一系列新的量子實驗問題的解釋存在困難。 為了完善和修改正統的解釋想物理學家一樣思考,各種其他的解釋又出現了。
統計系綜解釋
在第五次索爾維會議上,愛因斯坦提出了這樣的觀點:波函數所描述的無論如何都不可能是單個系統的狀態。 它涉及到一個多粒子系統,從統計力學的意義上來說就是“”。 他在1935年提出著名的EPR論證后,又在《物理與現實》一文中進一步闡明了他的“統計系綜解釋”。 這一理論解釋在20世紀30年代得到了、Boper、等人的支持; 但當時,面對正統解釋的強大壓力,真正關注系綜解釋的物理學家并不多。 但另一方面,由于玻恩解釋將概率問題帶入了物理學的中心,哲學界和邏輯界對量子概率問題的討論產生了濃厚的興趣。 卡爾納普在 20 世紀 30 年代試圖將量子概率簡化為經典概率。 賴辛巴赫于1947年提出了他嚴格的頻率解釋。波普爾在1930年代和1940年代科學哲學中發展起來的各種量子概率解釋的基礎上,系統地發展了他于1934年獨立提出的“趨勢解釋”。統計系綜解釋的原理可以從波普爾對量子力學的總結中看出:
1)量子力學與牛頓力學或玻爾茲曼氣體理論一樣,包含客觀的真實屬性。
2)量子力學本質上是一種統計理論,不包含任何非經典物理學之外的新的認識論意義。 統計原理原則上是所有物理學的基礎。
3)量子力學解釋中的幾乎所有困難都源于對概率論的誤解,特別是源于從拉普拉斯到馬赫、愛因斯坦至今物理學中一直存在的對概率的主觀主義解釋。 舊的傳統,以及忽視相對或條件概率的計算。 因此,哥本哈根學派不得不在概率的主觀主義解釋和客觀主義解釋之間搖擺。
4)正統解釋中的不確定性原理只是一種統計色散關系,對不確定性原理的解釋是模糊的。
5)波粒二象性是一種不負責任的說法,我們應該放棄互補性的概念。
6)量子力學不是遠距離作用理論。 “波包收縮”并不是量子理論應有的效應特征。 這是某種概率論中將會發生的事件。
那么什么是“合奏”呢? 在1949年出版的《量子力學原理》中,布洛欣托夫首次定義了量子系綜:屬于同一客觀環境的“粒子(或系統)的集合”。 然而,統計系綜的解釋存在嚴重的數學基礎問題。
潛變量理論
1935年春,愛因斯坦等人在《物理評論》上發表的著名EPR論文,引發了一場關于量子力學理論是否完整的廣泛、激烈和長期的爭論。
現在普遍認為,EPR論文中討論的現有量子理論的不完備性是從現實性和局域性兩個方面考慮的。 對于現實,愛因斯坦堅信存在一個獨立于人類意識的外部世界。 物理理論可以對這個外部世界給出統一的確定性描述,并且該理論預見的實驗操作原則上不會影響外部世界本身。
玻爾認為,量子力學所能給出的是對微觀世界與實驗相互作用所形成的現象的非確定性描述。 分歧的焦點在于對物理現實的理解。 隱變量理論主張我們應該把現有的量子力學看作是一種統計力學,它只給出了測量的物理量的平均值,但在目前經驗無法達到的更深層次上,它考慮了每個單獨的系統一切都按照嚴格的確定性法則運動。
人們希望在微觀物理領域恢復決定論和因果關系,消除物理學中經典現象和量子現象的區別,重新建立統一物理世界的理論。 例如,在量子信息領域,為了理解EPR長程相關性,需要認識和控制遠程粒子完整性中隱含的隱藏變量。 當然,我們目前還無法實現這個夢想。
多個世界的解釋
埃弗里特在20世紀50年代首次提出,在我們的“真實”宇宙之外,存在著許多與我們不同的“平行”且互不相連的宇宙,而且它們都是相同的。 的真理。 看來這可以解釋為什么薛定諤的貓會處于半死不活的狀態了。
在量子力學的正統解釋中,波函數完全描述了微觀系統的狀態。 微觀系統的狀態根據薛定諤方程決定性地演化。 波函數的平方的絕對值僅代表測量結果的概率,但運算測量的是量子系統的外部觀察者。 但觀察者的狀態、觀察者的記憶、甚至觀察者心臟和大腦的物理狀態都應該是宇宙中固有的。 因此,在徹底的量子宇宙學中,宇宙波函數無法用正統的方式解釋。 這些考慮是量子力學多世界解釋的基本起點。
“多世界解釋”可以概括為:
1)有一個普遍狀態,代表整個宇宙的狀態;
2)總狀態按照確定性的線性動力學方程演化,并且永不崩潰;
3)宇宙是由許多相互不可觀測但同樣真實的世界組成;
4)對物理現實的完整描述需要人們分別定義宇宙的狀態向量和動態變量;
5)完美測量中代表總狀態的狀態向量會自然分解為相互正交的向量,代表不同世界的狀態;
6)分解方法獨特。 每一次完美的測量都會被記錄下來,但每個世界的記錄都是不同的。 這就是明確測量記錄的解釋。
多重世界的解釋是有爭議的,因為這個解釋太奇怪了,奇怪到甚至有點荒唐,但卻多少有說服力。
量子力學作為科學理論的源泉,也將成為越來越多重大高科技技術的孵化器。 與此同時,20世紀的哲學,特別是科學哲學,深入參與了對量子力學帶來的科學現實的建構性和科學方法的復雜性的討論。 一大批世界級科學哲學大師的普遍科學哲學都是建立在對量子力學的深刻理解和獨特見解之上的。 如果說沒有量子力學就沒有現代科學哲學太過強烈的話,那么說沒有量子力學哲學問題的討論就沒有20世紀一半科學哲學家的思想也是不公平的。將成為無源水。 一個可以被廣泛接受的公平觀點。