量子理論的傳統(tǒng)解釋常常會(huì)導(dǎo)致許多奇怪的悖論，例如薛定諤的貓——貓既死又活。 一種稱為量子貝葉斯模型的量子理論重寫了最基本的量子定律，可以掃除各種量子悖論。 但代價(jià)是什么？
量子力學(xué)是物理學(xué)中最成功的理論，完美地解釋了從亞原子到天文學(xué)層面的所有物質(zhì)的行為。 然而，這也是最奇怪的理論。 在量子領(lǐng)域，粒子似乎同時(shí)存在于兩個(gè)地方； 信息的傳播速度似乎比光速還快； 貓可以同時(shí)死和活。 90 年來，物理學(xué)家一直在努力解決量子世界中明顯的悖論，但他們的努力收效甚微。 與已經(jīng)被大眾廣泛理解的進(jìn)化論和宇宙學(xué)不同，量子理論仍然被很多人視為一種奇怪的理論。 公眾對量子理論含義的困惑將繼續(xù)助長這樣一種觀點(diǎn)，即該理論總是渴望告訴我們一些關(guān)于我們的世界的深?yuàn)W的東西，而這些東西與我們的日常生活完全無關(guān)。 極好的。
2001 年，一組研究人員開始探索一種新模型，該模型可能會(huì)消除量子悖論或使其不那么令人不安。 這個(gè)模型被稱為“量子貝葉斯模型”（ Model），簡稱“量子貝葉斯模型”（QBism）。 它重新解釋了各種量子悖論的核心概念——波函數(shù)（波）。
根據(jù)傳統(tǒng)的量子理論，物體（例如電子）由其波函數(shù)表示，波函數(shù)在數(shù)學(xué)上描述了物體的屬性。 如果你想預(yù)測這個(gè)電子的行為，那么你可以計(jì)算它的波函數(shù)如何隨時(shí)間演變。 該計(jì)算告訴您電子具有某種屬性的概率，例如電子位于一個(gè)地方而不是另一個(gè)地方。 然而，當(dāng)物理學(xué)家假設(shè)波函數(shù)確實(shí)存在時(shí)，問題就出現(xiàn)了。
廣北模型是量子論和概率論的結(jié)合。 它認(rèn)為波函數(shù)不是客觀存在的。 相反，廣北模型認(rèn)為波函數(shù)只是一本用戶手冊，一個(gè)數(shù)學(xué)工具。 觀察者使用這個(gè)工具對他們周圍的世界——量子世界——做出更明智的決定。 相反，觀察者意識(shí)到他或她的個(gè)人選擇和行為將以一種本質(zhì)上不確定的方式影響系統(tǒng)，因此使用波函數(shù)將他或她個(gè)人對量子系統(tǒng)具有某些屬性的信念納入定量分配中； 其他觀察者也使用波函數(shù)來描述他們所看到的世界。 面對同一個(gè)量子系統(tǒng)，兩個(gè)觀察者可能會(huì)得出完全不同的結(jié)論。 對于一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)事件來說，有多少個(gè)觀察者就可能有多少個(gè)不同的波函數(shù)。 觀察者相互交流，修改他們的波函數(shù)以解釋新知識(shí)，并產(chǎn)生更清晰的理解。
從這個(gè)角度來看，波函數(shù)“可能是我們所發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)大的抽象概念”。 美國康奈爾大學(xué)理論物理學(xué)家、最近皈依量子灣模型的 N.大衛(wèi)·梅爾曼（N. David）說道。
虛幻的量子
波函數(shù)不真實(shí)的想法可以追溯到 20 世紀(jì) 30 年代量子力學(xué)創(chuàng)始人之一尼爾斯·玻爾 (Niels Bohr) 的著作中。 玻爾認(rèn)為波函數(shù)是量子理論中“純符號(hào)”形式系統(tǒng)（）的一部分，只是一種計(jì)算工具。 量子貝模型首次為玻爾的主張?zhí)峁┝藬?shù)學(xué)支持。 該模型將量子理論與已有 200 多年歷史的貝葉斯統(tǒng)計(jì)相結(jié)合，并將“概率”定義為類似于“主觀信念”的東西 ( )。 貝葉斯統(tǒng)計(jì)還為如何在獲得新信息后修正主觀信念提供了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)規(guī)則。 貝葉斯模型的支持者表示，通過將波函數(shù)解釋為經(jīng)過貝葉斯統(tǒng)計(jì)規(guī)則修改的主觀信念，量子力學(xué)的神秘悖論就消失了。
讓我們回到電子。 我們知道，每次測量電子時(shí)，我們都會(huì)在某個(gè)位置找到它。 但當(dāng)我們不測量它時(shí)，電子的波函數(shù)就會(huì)發(fā)散，代表電子同時(shí)處于許多不同位置的概率。 現(xiàn)在再測量一下，你會(huì)發(fā)現(xiàn)電子已經(jīng)回到了特定的位置。 根據(jù)傳統(tǒng)思維，測量導(dǎo)致波函數(shù)立即“崩潰”為單個(gè)特定值。
由于崩潰同時(shí)在各處發(fā)生，因此似乎違反了局部性原理 ( )。 該原理認(rèn)為，一個(gè)物體的任何變化必定是由與其直接接觸的另一個(gè)物體引起的。 這導(dǎo)致了愛因斯坦所說的“幽靈般的遠(yuǎn)距離作用”（a）的混亂。
在量子力學(xué)誕生之初，物理學(xué)家將波函數(shù)的坍縮視為一個(gè)悖論。 這也是量子理論中一個(gè)非常令人不安的方面。 這種令人不安的混亂迫使物理學(xué)家開發(fā)出各種其他版本的量子力學(xué)。
然而，超額灣模型認(rèn)為根本不存在悖論。 波函數(shù)的崩潰只不過是觀察者根據(jù)新信息突然、間歇性地修改他或??她的概率分配。 量子系統(tǒng)并沒有真正經(jīng)歷奇怪和無法解釋的變化，只是觀察者選擇描述他們個(gè)人期望的波函數(shù)。
我們可以這樣思考，看看另一個(gè)著名的悖論——薛定諤的貓。 量子物理學(xué)家歐文·薛定諤想象了一個(gè)場景，將一只活貓、一瓶毒藥和一個(gè)放射性原子放在一個(gè)密封的盒子里。 根據(jù)量子力學(xué)定律，原子在一小時(shí)內(nèi)有50%的概率衰變。 如果原子衰變，錘子就會(huì)打破玻璃瓶，釋放出毒液，殺死貓； 如果原子不衰變，貓就會(huì)生存。
現(xiàn)在讓我們開始實(shí)驗(yàn)——但不要看??盒子里的東西。 一小時(shí)后，根據(jù)傳統(tǒng)量子理論物理學(xué)家毒品，原子的波函數(shù)處于兩種狀態(tài)（衰變和未衰變）的疊加。 但因?yàn)槟銢]有觀察到盒子里發(fā)生了什么，所以這種疊加進(jìn)一步延伸：錘子也是疊加的，裝毒藥的瓶子也是疊加的。 最荒謬的是，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)定律，貓也會(huì)處于疊加狀態(tài)——它會(huì)同時(shí)生和死。
量子模型通過強(qiáng)調(diào)波函數(shù)是觀察者的主觀屬性，而不是盒子里的貓的客觀屬性來解決這個(gè)問題。 該理論認(rèn)為，貓當(dāng)然不是死就是活（不是同時(shí)死或活）。 當(dāng)然，它的波函數(shù)代表了死狀態(tài)和活狀態(tài)的疊加，但波函數(shù)僅僅是觀察者信念的描述。 這是一種將人的心理狀態(tài)想象為物質(zhì)世界的現(xiàn)實(shí)的謬論。
消除量子悖論：為了說明量子模型與量子力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)解釋之間的區(qū)別，我們可以以“薛定諤的貓”為例：一只貓和一瓶密封在盒子里的毒藥。 根據(jù)量子力學(xué)，某個(gè)量子事件有50%的概率打破（或不打破）瓶子并殺死（或不殺死）貓。 在觀察者觀察盒子之前，波函數(shù)將系統(tǒng)描述為“死”和“活”狀態(tài)的疊加。 根據(jù)量子模型，波函數(shù)只是對觀察者心理狀態(tài)的描述，處于疊加態(tài)的才是觀察者的心理狀態(tài)。 貓要么死，要么活，觀察就會(huì)揭曉最終結(jié)果。
希望通過消除悖論，量子模型可以幫助物理學(xué)家回到量子理論的真正基礎(chǔ)——無論那是什么——“在他們浪費(fèi)時(shí)間問不存在的愚蠢問題之前，”梅爾曼說。
麻煩制造者
這個(gè)定量模型誕生于2002年1月發(fā)表的一篇短論文，作者是美國新墨西哥大學(xué)的 M. Caves和當(dāng)時(shí)在美國新澤西州默里山貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的 M. Caves當(dāng)時(shí)。 英國倫敦大學(xué)皇家霍洛威學(xué)院的 A. Fuchs 和 Shack。 他們?nèi)欢际橇孔有畔⒄摲矫娼?jīng)驗(yàn)豐富的專家，分別來自物理系、工業(yè)實(shí)驗(yàn)室和數(shù)學(xué)系，這說明了他們開創(chuàng)的領(lǐng)域的跨學(xué)科性質(zhì)。
之后，福克斯來到加拿大安大略省周界理論物理研究所（ of ），并成為兩杯模式的首席代言人。 他的一篇文章這樣開頭：“在這篇論文中，我打算制造很多麻煩。” 他的同事們并不感到驚訝。
福克斯風(fēng)格的核心是他相信科學(xué)是一種典型的公共活動(dòng)，只有通過激烈的智力接觸才能獲得深刻的見解。 他就像一陣活動(dòng)旋風(fēng)，背著破爛的背包，拖著筆記本電腦，席卷全世界——組織會(huì)議、召開科學(xué)研討會(huì)、到大學(xué)演講。
本著這種精神，福克斯帶頭創(chuàng)建了一種新的文檔形式。 2011年，劍橋大學(xué)出版社公布了他與世界各地許多科學(xué)家交換的電子郵件。 這本 600 頁的書的標(biāo)題是“與量子信息一起成長”。 本書記錄了兩杯模式誕生的艱難歷程。 該書還記錄了福克斯的堅(jiān)定信念，即與大多數(shù)科學(xué)家的觀點(diǎn)相反，哲學(xué)之所以重要，不僅因?yàn)樗绊懳锢韺W(xué)，還因?yàn)樗彩艿狡渖羁桃娊獾挠绊憽? ——或者應(yīng)該受到影響。
兩種概率的定義
當(dāng)你開始考慮量子模型如何迫使我們重新審視“概率”的真正含義時(shí)，福克斯關(guān)于物理理論的哲學(xué)本質(zhì)就變得顯而易見。 概率就像“時(shí)間”：我們知道它是什么，但很難準(zhǔn)確定義。
在過去的三個(gè)世紀(jì)里，我們發(fā)展了兩種相互矛盾的概率定義，每種定義都有無數(shù)的變化。 更現(xiàn)代和標(biāo)準(zhǔn)化的稱為“頻率概率”（ ），它將事件的概率定義為該事件在一系列實(shí)驗(yàn)中的相對頻率。 這個(gè)定義聲稱獲得的數(shù)值是客觀的、可驗(yàn)證的，可以直接用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。 一個(gè)典型的例子是拋硬幣：如果多次拋硬幣，大約有一半的次數(shù)會(huì)出現(xiàn)正面，所以正面朝上的概率約為1/2。 為了擺脫“很多”、“大約”、“大約”等模糊詞語，得到一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)值，你需要拋硬幣無數(shù)次，這樣才能得到1/2的準(zhǔn)確概率。 不幸的是，在這種情況下，該值無法被驗(yàn)證，從而失去了該定義所聲稱的客觀性。
一個(gè)較舊的定義稱為“貝葉斯概率”（ ），以18世紀(jì)英國牧師托馬斯·貝葉斯（ Bayes）的名字命名，他的思想被法國物理學(xué)家皮埃爾·西蒙·拉·普拉斯（-Simon La Plath）完善并發(fā)揚(yáng)光大。 與頻率論概率相反，貝葉斯概率是主觀的，衡量人們對事件將會(huì)發(fā)生的信念。 它是衡量人們?nèi)绾螌δ骋皇录慕Y(jié)果下注的數(shù)字衡量標(biāo)準(zhǔn)。 貝葉斯概率自由地將定量統(tǒng)計(jì)信息與基于先前經(jīng)驗(yàn)的直觀估計(jì)結(jié)合起來。
貝葉斯概率可以輕松處理頻率概率無法解釋的情況物理學(xué)家毒品，也可以避免“無窮大”的陷阱，但它的真正威力更為獨(dú)特。 根據(jù)貝葉斯概率的定義，由于信任程度不固定，概率分配可能會(huì)發(fā)生變化。
該理論的核心是一個(gè)稱為貝葉斯定律的公式，可用于在估計(jì)概率時(shí)計(jì)算新信息的影響。 例如，如果醫(yī)生懷疑患者患有癌癥，他首先根據(jù)各種數(shù)據(jù)（例如一般人群中疾病的發(fā)病率、患者的家族史以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)）分配一個(gè)初始概率，稱為先驗(yàn)概率。因素； 收到患者的檢測結(jié)果后，醫(yī)生會(huì)利用貝葉斯定理修改先驗(yàn)概率，得到的值代表了醫(yī)生對患者患有癌癥的信心。
