量子力學(xué)的解釋問題物理學(xué)家波恩，一定程度上與若干哲學(xué)問題相關(guān)。物理學(xué)與哲學(xué)都是探討世界的本源，所以最早的物理學(xué)家也是偉大的哲學(xué)家。此外，幾乎所有偉大的物理學(xué)家在晚年都轉(zhuǎn)向哲學(xué)思考，溫伯格的思想轉(zhuǎn)變可以算作一個(gè)例子。
溫伯格的困惑
這位著名的理論物理學(xué)家自 2016 年以來多次提到自己對量子力學(xué)的不滿。除了 2016 年《全球科學(xué)》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(dá)了自己作為一名資深物理學(xué)家對量子物理未來前景的困惑和擔(dān)憂。
在量子力學(xué)的發(fā)展過程中，有許多物理學(xué)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(tài)度。他們都是量子力學(xué)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(yīng)；隨后，玻爾的原子模型、德布羅意的物質(zhì)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(chǔ)。
另一方面，絕大多數(shù)物理學(xué)家，甚至包括上述持懷疑態(tài)度的大師們，都認(rèn)同量子理論對人類社會做出了杰出貢獻(xiàn)。量子力學(xué)被認(rèn)為是自然科學(xué)史上被實(shí)驗(yàn)證明的最精確的理論。它是我們理解原子、原子核、電磁學(xué)、半導(dǎo)體、超導(dǎo)等微觀現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。
那么，量子理論到底出了什么問題？既然它已經(jīng)取得了巨大的成功，其應(yīng)用在高科技產(chǎn)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(jì)算結(jié)果，而在于不同的解釋。如果我們忽略這一點(diǎn)，只要遵循一個(gè)原則：“閉嘴，認(rèn)真計(jì)算！”那么一切都會好起來。各個(gè)流派的物理學(xué)家都可以學(xué)會以程序化的方式，運(yùn)用抽象而復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法，研究和計(jì)算各種微觀系統(tǒng)，并給出精確的結(jié)果。例如，量子力學(xué)對某些原子性質(zhì)的理論預(yù)測，已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，精度為 108 分之一！
理解量子理論的詮釋是一個(gè)過程。溫伯格說，他過去也認(rèn)為量子力學(xué)和大多數(shù)物理學(xué)家一樣，只是實(shí)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(xué)的種種詮釋越來越不滿，呼吁物理學(xué)家尋找新的理論來解釋量子力學(xué)中長期存在的問題。從這個(gè)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(chǎn)
量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的區(qū)別可以用它們對粒子（比如電子）運(yùn)動的描述來解釋。在牛頓力學(xué)中，粒子是用“運(yùn)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(shí)間變化的情況。經(jīng)典粒子在某一時(shí)刻出現(xiàn)在空間的某一點(diǎn)，這些點(diǎn)連起來就形成一條線，這條線就是粒子的軌跡。在量子力學(xué)中物理資源網(wǎng)，電子表現(xiàn)出“波粒二象性”，量子力學(xué)用波函數(shù)來描述（一個(gè)）電子的運(yùn)動。波函數(shù)在空間的每一點(diǎn)都有相同的值，類似于彌漫整個(gè)海洋的水分子密度。這就提出了一個(gè)問題：一個(gè)電子怎么可能同時(shí)出現(xiàn)在空間的每一點(diǎn)呢？
為了回答上述問題，物理學(xué)家們一般把波函數(shù)解釋為概率波。對此，我們又回到溫伯格的困惑。關(guān)于概率波，他有一段話引人深思：
概率融入物理學(xué)讓物理學(xué)家們苦不堪言，但量子力學(xué)真正的難點(diǎn)并不在于概率，而是這個(gè)概率從何而來？量子力學(xué)中描述波函數(shù)演化的薛定諤方程是一個(gè)確定性的波動方程，本身不涉及概率，甚至不會產(chǎn)生經(jīng)典力學(xué)中對初始條件極其敏感的“混沌”現(xiàn)象。那么，量子力學(xué)中體現(xiàn)不確定性的概率從何而來？
溫伯格的問題看似數(shù)學(xué)問題，其實(shí)數(shù)學(xué)上沒有問題。薛定諤方程是線性的，如果用坐標(biāo)表示，在一定的初值和邊界條件下，它的解（波函數(shù)）是空間和時(shí)間的確定函數(shù)，不會產(chǎn)生混沌，也不涉及任何概率。問題來自于如何解釋這個(gè)彌漫于整個(gè)空間的“波函數(shù)”？如何將它和電子的運(yùn)動聯(lián)系起來？波函數(shù)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(gè)在經(jīng)典理論中被視為“點(diǎn)”粒子的“實(shí)心球”在量子力學(xué)中會變成遍布整個(gè)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(jīng)過反復(fù)推敲和比較，玻恩的概率解釋更為可靠，因而被大多數(shù)物理學(xué)家所接受。玻恩認(rèn)為，波函數(shù)是概率波，其模的平方表示粒子出現(xiàn)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(gè)類似的經(jīng)典小球（這讓我們稍感安慰），只是我們不能確定這個(gè)小球在空間中的位置，而只能確定它出現(xiàn)在某一點(diǎn)的概率！
（來源：）
于是，人們不再思考波函數(shù)，而是開始思考概率。什么是概率？當(dāng)然，我們先從“概率”的經(jīng)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(jīng)典物理學(xué)的框架下，不確定性來自于我們知識的匱乏，因?yàn)槲覀儧]有足夠的信息，或者說沒有必要知道那么多。比如，當(dāng)一個(gè)人把一枚硬幣向上拋，并接在手中時(shí)物理學(xué)家波恩，硬幣飛出的方向似乎是隨機(jī)的，可能是向上，也可能是向下。但從經(jīng)典力學(xué)的角度來看，這種隨機(jī)性是因?yàn)橛矌诺倪\(yùn)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(shí)的詳細(xì)信息。如果我們知道硬幣飛出時(shí)每一點(diǎn)的受力情況，再解宏觀力學(xué)方程，我們完全可以預(yù)測它落下時(shí)的方向。也就是說，經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，不確定性的背后，存在著一些尚未被發(fā)現(xiàn)的“隱變量”，一旦發(fā)現(xiàn)，任何隨機(jī)性都可以避免。也就是說，隱變量是經(jīng)典物理學(xué)中概率的來源。
那么，量子物理中波函數(shù)所導(dǎo)致的概率，是否也是由更深層次的“隱變量”產(chǎn)生的呢？
這個(gè)問題把物理學(xué)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(rèn)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(xiàn)出不確定性。另一派是以玻爾為首的“哥本哈根學(xué)派”，他們認(rèn)為不確定性是微觀世界的本質(zhì)，不存在更深層次的隱變量！正是這種分歧導(dǎo)致了愛因斯坦和玻爾之間的“世紀(jì)之爭”。
1935年，愛因斯坦與兩位同事針對他認(rèn)為最難以理解的量子糾纏現(xiàn)象，提出了著名的EPR佯謬[2]，試圖挑戰(zhàn)哥本哈根詮釋，希望找到隱藏在量子系統(tǒng)中的“隱變量”。
愛因斯坦對量子力學(xué)的質(zhì)疑主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：確定性、實(shí)在性和局域性。三者都與“概率的來源”有關(guān)。如今，愛因斯坦的EPR文章發(fā)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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)方法。然而遺憾的是，很多實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(diǎn)。相反，實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是：不存在隱變量，不確定性才是世界的本質(zhì)。
量子力學(xué)的創(chuàng)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(gè)粒子的位置和動量不能同時(shí)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(jīng)被無數(shù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。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(zhì)上是不確定的，這個(gè)結(jié)論讓拉普拉斯宣布確定性成了笑話。其實(shí)，如果我們仔細(xì)想想，非確定性更容易理解。想象一下，有一天，一位科學(xué)家在一場意外車禍中喪生。這是事先（在他出生時(shí)）就確定的結(jié)果嗎？當(dāng)然不是！除了量子理論揭示了世界的本質(zhì)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(tǒng)也可能產(chǎn)生隨機(jī)的、非確定性的結(jié)果！
承認(rèn)非確定性并不難，但進(jìn)一步解釋它卻很難。波函數(shù)的概率解釋在理論上引發(fā)了對概率本質(zhì)的思考。量子力學(xué)中的實(shí)驗(yàn)測量也讓物理學(xué)家感到困惑。微觀世界是不確定的，宏觀現(xiàn)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(xué)認(rèn)為，微觀世界中粒子的狀態(tài)是“疊加態(tài)”，是概率性的疊加態(tài)。但實(shí)驗(yàn)無法測量疊加態(tài)，只能得到某個(gè)值的“本征態(tài)”。這里的一個(gè)解釋就是所謂的“波函數(shù)坍縮”，即“疊加態(tài)的波函數(shù)以一定的概率坍縮為本征態(tài)的波函數(shù)”。
那么測量為何會導(dǎo)致波函數(shù)坍縮？測量又是什么？敬請關(guān)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
啟蒙、探索、創(chuàng)造
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