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[转载]如何解释量子力学?

已有 391 次阅读 2020-12-3 20:04 |个人分类:量子理论|系统分类:科研笔记|文章来源:转载

如果你进入原子或亚原子尺度的世界,你就来到了量子物理学的范畴。但请做好心理准备,用我们日常的眼光来看,量子物理学中的一些事物看起来“毫无章法”,有的似乎完全说不通。

物理学家自然不喜欢这种感觉。量子力学的诠释就代表着许多物理学家试图让量子物理“说得通”的努力。换句话说,它可以理解成物理学家在尝试找到量子力学的数学理论与现实世界的某种“对应”。从更深层的角度来看,每种诠释都反映着某种世界观。

这里简单总结了8种量子力学的诠释,它们有些可能更为“主流”,另外一些则更“小众”;一些说法有待未来通过实验验证,而其他的也许一直只能是一种猜想或假说。

你最支持哪种?

可以这么说,哥本哈根诠释是目前量子力学的一种“标准语言”。它的一种表述是,亚原子粒子可以用遵循薛定谔方程波函数描述出来。

在哥本哈根诠释的视野下,一个波函数会根据薛定谔方程平稳地移动,直到它与物体相遇,比如探测器。而我们测量和“看”到的则是在某个特定位置的单个粒子,也就是说,当延伸在整个空间中的波函数遇到探测器时会突然坍缩

但问题是,在量子力学中,没有真正的物理来描述这种坍缩是如何发生的。我们常听到量子测量问题(measurement problem)的说法。或许可以这么理解,测量问题就像是一堵高墙,将我们和量子领域彻底分隔开来,让我们看不见那些波函数,而只能看到粒子。哥本哈根诠释的观点认为,我们没有办法真的到达量子领域,而真正重要的是测量。

现实就在观测中——就让我们“闭嘴,开始算”。

与哥本哈根诠释截然不同,多世界诠释认为波函数是物理上真实的,这种诠释说的是,如果薛定谔方程恰恰就是一种对现实的描述,那么现实应当是什么样子的。

当你对同时处于不同位置的叠加的粒子进行测量时,被测量的粒子事实上在不同版本的现实中在所有那些位置出现。换句话说,如果一个粒子同时处于两个位置的叠加,然后它与探测器相遇,这样一来,它就将探测器变成了在两个地方测量粒子的叠加,而当你从探测器中观测到结果时,你又变成了在两个地方观测结果的叠加。然而这两种“现实”显然是互斥的,这就意味着,你所处的两个“现实”分叉成了两个不同的分支。

这听起来像是,如果你在这个现实里做了什么糟糕的决定,别担心,也许在另一个现实中,你仍然可以获得一个完美的结果。多世界诠释也是经常被流行文化借用的一种。

尽管收获了一些支持者,但这种理解也带来了一个问题——它让概率失去了意义。比如,无论一个粒子是以怎样的概率同时存在于两个地方,当它被测量时,现实都会100%地“分裂”。

为了解决多世界诠释在概率上的问题,一些科学家发展出了宇宙学诠释。这种诠释建立在永恒暴胀的背景下,它认为,如果有无穷个宇宙,那么多世界诠释一定成立,因为有无穷个“你”正在进行实验,而现实将会按照概率的比例进行分裂。这样一来,经典概率就仍然存在意义。

量子力学具有一种非常奇特的特性,被称为非定域性(non-locality),简单理解就是,粒子的一些性质与非常非常遥远的地方的某些“东西”有关。这种奇异的性质带来了一种“隐变量”的猜想:也许粒子的性质具有一些“秘密”的变量,它其实是一种确定的状态,只是我们不知道而已,而直到我们测量才会发现。

虽然隐变量的猜想被贝尔定理驳回了,但并非给它“判了死刑”。科学家在隐变量理论的基础上提出了“非定域隐变量理论”,也就是德布罗意-玻姆诠释。这种诠释认为粒子是真实存在的,它们在我们看不见的导波的引导下运动。

量子贝叶斯主义将贝叶斯概率纳入了量子力学中。贝叶斯推理认为,当出现新的可用证据或信息时,一个假设为真的概率(先验)也会根据这个新证据的符合程度发生变化(后验)。简单来说,当你得到了有关某个态的新信息时,它会更新你所测量的事物的概率

量子达尔文主义认为,当量子系统与环境相互作用时,某些特定的东西就会被“消灭”。就像达尔文针对进化提出的“自然选择”理论一样,粒子与环境的相互作用其实是对性质的“自然选择”,而粒子最终就会剩下与环境相一致的性质

量子力学的数学实际上允许“顺时而动”和“逆时而动”的解存在,但我们通常会忽略后者——毕竟我们一般认为时光不会逆流。然而,交易诠释却保留了两种解,你得到的性质可能取决于发生于你的未来的事情。

关系性诠释中,量子系统的态与观测者有关,也就是说,态是观测者与系统之间的关系。这种诠释受到了狭义相对论背后“观察者的参考系”想法的启发。量子物体的性质不再是最受关注的方面,相反,这种诠释关注的是一切由性质之间的关系所定义的东西。

量子力学的诠释远不止这些,还有许多物理学家提出了不同的想法和观点。但也有一些科学家因此相信,这么多种不同诠释的出现,可能恰恰意味着,量子力学中还有一些非常基础和根本的部分等待着被发掘。

对于上述的8种诠释,你最支持哪种?欢迎大家在留言区讨论~

选题策划:杭州小张

选题创意来源:DoS - Domain of Science, The Interpretation of Quantum Mechanics, Youtube

文字:Takeko

图片设计:一条龙服务中的那条龙Takeko

图片来源:Pixabay, Wikimedia Commons

参考来源:

https://www.youtube.com/watch?v=mqofuYCz9gs

http://www.phyast.pitt.edu/~rovelli/Papers/quant.mec.uu

原标题:量子力学的8种诠释

来源:原理

编辑:Eric

来源:

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1685032130838972295&wfr=spider&for=pc




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1 黄河宁

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