量子力學的解釋問題物理學家波恩，一定程度上與若干哲學問題相關。物理學與哲學都是探討世界的本源，所以最早的物理學家也是偉大的哲學家。此外，幾乎所有偉大的物理學家在晚年都轉向哲學思考，溫伯格的思想轉變可以算作一個例子。
溫伯格的困惑
這位著名的理論物理學家自 2016 年以來多次提到自己對量子力學的不滿。除了 2016 年《全球科學》的文章[1]，還有他在 2017 年和 2018 年的演講，以及今年 1 月 19 日為《紐約書評》撰寫的文章。在這些公開場合，溫伯格表達了自己作為一名資深物理學家對量子物理未來前景的困惑和擔憂。
在量子力學的發展過程中，有許多物理學大師都提出過懷疑。最著名的是愛因斯坦。普朗克、德布羅意和薛定諤也都持懷疑態度。他們都是量子力學的著名奠基人：普朗克首先解決了黑體輻射問題；隨后，愛因斯坦提出光量子來解釋光電效應；隨后，玻爾的原子模型、德布羅意的物質波和薛定諤的波動方程為量子論的建立奠定了重要的理論基礎。
另一方面，絕大多數物理學家，甚至包括上述持懷疑態度的大師們，都認同量子理論對人類社會做出了杰出貢獻。量子力學被認為是自然科學史上被實驗證明的最精確的理論。它是我們理解原子、原子核、電磁學、半導體、超導等微觀現象的理論基礎。
那么，量子理論到底出了什么問題？既然它已經取得了巨大的成功，其應用在高科技產品中隨處可見，為什么它仍然飽受爭議和爭議？原來，人們對量子理論的分歧，并非在于計算結果，而在于不同的解釋。如果我們忽略這一點，只要遵循一個原則：“閉嘴，認真計算！”那么一切都會好起來。各個流派的物理學家都可以學會以程序化的方式，運用抽象而復雜的數學方法，研究和計算各種微觀系統，并給出精確的結果。例如，量子力學對某些原子性質的理論預測，已經被實驗驗證，精度為 108 分之一！
理解量子理論的詮釋是一個過程。溫伯格說，他過去也認為量子力學和大多數物理學家一樣，只是實用的，沒有必要深入探究其基本概念和含義。但近年來，他對量子力學的種種詮釋越來越不滿，呼吁物理學家尋找新的理論來解釋量子力學中長期存在的問題。從這個意義上說，溫伯格明顯站在了愛因斯坦和薛定諤一邊！
讓溫伯格困惑不已的問題之一是概率。
決定論面臨破產
量子力學與經典力學的區別可以用它們對粒子（比如電子）運動的描述來解釋。在牛頓力學中，粒子是用“運動軌跡”來描述的。所謂軌跡，就是一條“曲線”，展示粒子在空間位置隨時間變化的情況。經典粒子在某一時刻出現在空間的某一點，這些點連起來就形成一條線，這條線就是粒子的軌跡。在量子力學中物理資源網，電子表現出“波粒二象性”，量子力學用波函數來描述（一個）電子的運動。波函數在空間的每一點都有相同的值，類似于彌漫整個海洋的水分子密度。這就提出了一個問題：一個電子怎么可能同時出現在空間的每一點呢？
為了回答上述問題，物理學家們一般把波函數解釋為概率波。對此，我們又回到溫伯格的困惑。關于概率波，他有一段話引人深思：
概率融入物理學讓物理學家們苦不堪言，但量子力學真正的難點并不在于概率，而是這個概率從何而來？量子力學中描述波函數演化的薛定諤方程是一個確定性的波動方程，本身不涉及概率，甚至不會產生經典力學中對初始條件極其敏感的“混沌”現象。那么，量子力學中體現不確定性的概率從何而來？
溫伯格的問題看似數學問題，其實數學上沒有問題。薛定諤方程是線性的，如果用坐標表示，在一定的初值和邊界條件下，它的解（波函數）是空間和時間的確定函數，不會產生混沌，也不涉及任何概率。問題來自于如何解釋這個彌漫于整個空間的“波函數”？如何將它和電子的運動聯系起來？波函數所代表的物理圖像不可能是電子電荷在空間的密度分布。我們怎么能想象一個在經典理論中被視為“點”粒子的“實心球”在量子力學中會變成遍布整個空間的東西？就連提出這一解釋的薛定諤本人也無法接受這種說法。
經過反復推敲和比較，玻恩的概率解釋更為可靠，因而被大多數物理學家所接受。玻恩認為，波函數是概率波，其模的平方表示粒子出現在該位置的概率密度。
也就是說，利用概率詮釋，人們似乎仍然可以把電子想象成一個類似的經典小球（這讓我們稍感安慰），只是我們不能確定這個小球在空間中的位置，而只能確定它出現在某一點的概率！
（來源：）
于是，人們不再思考波函數，而是開始思考概率。什么是概率？當然，我們先從“概率”的經典定義開始思考。概率給世界帶來了不確定性，它可以被定義為對事物不確定性的描述。
但在經典物理學的框架下，不確定性來自于我們知識的匱乏，因為我們沒有足夠的信息，或者說沒有必要知道那么多。比如，當一個人把一枚硬幣向上拋，并接在手中時物理學家波恩，硬幣飛出的方向似乎是隨機的，可能是向上，也可能是向下。但從經典力學的角度來看，這種隨機性是因為硬幣的運動不易控制，所以我們并不知道（或者說不想知道）硬幣飛出我們手中時的詳細信息。如果我們知道硬幣飛出時每一點的受力情況，再解宏觀力學方程，我們完全可以預測它落下時的方向。也就是說，經典物理學認為，不確定性的背后，存在著一些尚未被發現的“隱變量”，一旦發現，任何隨機性都可以避免。也就是說，隱變量是經典物理學中概率的來源。
那么，量子物理中波函數所導致的概率，是否也是由更深層次的“隱變量”產生的呢？
這個問題把物理學家們分成了兩大派：一派是以愛因斯坦為首的“隱變量”派，他們認為“上帝不擲骰子！”一定有某種隱藏在更深層次的隱變量在起作用，使得微觀世界呈現出不確定性。另一派是以玻爾為首的“哥本哈根學派”，他們認為不確定性是微觀世界的本質，不存在更深層次的隱變量！正是這種分歧導致了愛因斯坦和玻爾之間的“世紀之爭”。
1935年，愛因斯坦與兩位同事針對他認為最難以理解的量子糾纏現象，提出了著名的EPR佯謬[2]，試圖挑戰哥本哈根詮釋，希望找到隱藏在量子系統中的“隱變量”。
愛因斯坦對量子力學的質疑主要體現在三個方面：確定性、實在性和局域性。三者都與“概率的來源”有關。如今，愛因斯坦的EPR文章發表已80多年。特別是在約翰·貝爾提出貝爾定理之后，愛因斯坦的EPR悖論有了明確的實驗檢驗方法。然而遺憾的是，很多實驗的結果并沒有站在愛因斯坦一邊，不支持德布羅意-玻姆理論的“隱變量”觀點。相反，實驗的結論是：不存在隱變量，不確定性才是世界的本質。
量子力學的創始人之一海森堡提出了微觀世界的不確定性原理。該原理指出，一個粒子的位置和動量不能同時確定。位置的不確定性越小，動量的不確定性越大，反之亦然。不確定性原理已經被無數實驗證實。它是微觀粒子固有的量子屬性，反映了世界的不確定性。
世界本質上是不確定的，這個結論讓拉普拉斯宣布確定性成了笑話。其實，如果我們仔細想想，非確定性更容易理解。想象一下，有一天，一位科學家在一場意外車禍中喪生。這是事先（在他出生時）就確定的結果嗎？當然不是！除了量子理論揭示了世界的本質是非確定性的，非線性引起的混沌理論研究也支持非確定性。混沌理論解釋，即使是確定性系統也可能產生隨機的、非確定性的結果！
承認非確定性并不難，但進一步解釋它卻很難。波函數的概率解釋在理論上引發了對概率本質的思考。量子力學中的實驗測量也讓物理學家感到困惑。微觀世界是不確定的，宏觀現象都是確定的。如何從不確定的微觀世界過渡到確定的宏觀世界？量子力學認為，微觀世界中粒子的狀態是“疊加態”，是概率性的疊加態。但實驗無法測量疊加態，只能得到某個值的“本征態”。這里的一個解釋就是所謂的“波函數坍縮”，即“疊加態的波函數以一定的概率坍縮為本征態的波函數”。
那么測量為何會導致波函數坍縮？測量又是什么？敬請關注下周推送。
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參考
[1] 《與，，《書籍》，2017年第19期
//2017/01/19/-與--/
[2]，A.；，B.；Rosen，N.（1935 年）。“可以嗎？”。47 (10):777–780。
賽先生
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