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[转载]从唯像理论到理论架构和物理机制

已有 142 次阅读 2024-12-25 04:18 |个人分类:问题讨论|系统分类:观点评述|文章来源:转载

从唯像理论到理论架构和物理机制

(转载+原创)

哥本哈根学派对量子力学的诠释像是唯象理论，只是归纳现象，而不解释内部机制。这让信奉普适性理论的物理学家是难以接受的。

唯象理论简单来说就是，物理学家只能观测或者推理出量子世界的运动现象，基于这些现象从而建立方程式模型，然后利用这些方程预测量子世界的运动。也就是说，唯象理论只能概括现象，却不知道现象背后的机制是什么。
所以费曼才说，没人懂得量子力学，这句话的潜在含义是，我们虽然能利用方程式预测量子世界的变化规律，但是却不知道背后的内在机制。
当物理学发展到量子力学这一步时，争议性显著变多。而在牛顿时代的经典力学中，好像并没有太多争议，大家貌似都很服从牛顿力学。其实本质上还是理论普适性的问题。

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事实上，在牛顿之前，开普勒基于天文观测，就已经提出来了天体运行的三大定律，在这三大定律中，我们知道每一个行星都沿着各自的椭圆轨道环绕著太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点上；在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的；各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。

开普勒定律则是典型的唯象理论，开普勒只是基于观测数据归纳出这样的规律，却不知道这些规律背后隐藏的内在机制。而牛顿力学则是揭示开普勒定律内在机制的深层理论。

其实在牛顿时代，很少有物理学家认为牛顿力学是唯象理论，而更倾向认为牛顿力学是可以解释宇宙所有天体运动的普适性理论。直到麦克斯韦方程式的出现，以及迈克尔逊-莫雷验证的以太风实验后，牛顿力学才面临难以解释的光速问题。
1900年，普朗克提出能量量子化。1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，尤其是后来提出广义相对论，牛顿力学尤其是牛顿引力理论也彻底沦为了唯象理论。

一般来说，唯象理论属于物理理论发展的一个早期阶段，具有一定局限性，有待进入更高级的系统化的相对本质性理论阶段。
在广义相对论提出来之后，人们进一步认为引力是质量造成时空弯曲的表象。而很多人在这时候更倾向于认为广义相对论是普适性理论。
但是这样的认知依旧不太严谨。因为广义相对论目前也面临难以解释的问题，比如无法解释所有的微观现象。在量子引力理论中，时空本身被视为一种量子现象。这意味着时空的弯曲和量子态之间可能存在某种深刻的关联。有一种观点认为，时空弯曲可以视为波函数的曲率。这意味着量子系统的可能结果不仅与测量时的状态有关，还与时空的弯曲程度有关。

这种观点试图将量子系统的行为与时空的几何结构联系起来，从而提供一种统一量子力学和广义相对论的方法。

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在一般情况下，我们会忽略掉微观粒子的引力项，因为引力本来就是四种作用力里面最弱的，另外，微观粒子的质量十分小，引力也极小，微观粒子在强力，电磁力，弱力上的数值以数量级的优势碾压引力。所以广义相对论一般也不用插手量子力学的计算。但是在有一种情况下，广义相对论不得不插手微观世界，那就是黑洞内部的奇点。

奇点的体积无限小，所以在尺度上属于微观世界，但是奇点的质量却十分巨大，广义相对论不得不插手黑洞内部的奇点问题。
在广义相对论看来，弯曲的时空在无限小的尺度上是平坦的，然后才能计算出整体的曲率，但是奇点本身也是无限小的，所以无穷小的平坦时空，遇到无穷小的奇点，就没有办法再被视为平坦的了，无穷小遇到无穷小，计算出的结果可以是任何一个数，这就会造成一个发散的无限大，为了解决无穷大的发散问题，就需要引入一个抵消项，达到重整化的目的。
重整化的目的就是截断这种无穷小。而在物理意义上，空间无穷小的极限就是普朗克长度，当奇点达到普朗克长度就终结了。所以目前一般采用普朗克长度解决广义相对论无穷小导致的发散问题。当然这就属于量子引力理论的范畴了。
在黑洞奇点上，用广义相对论是难以计算的。所以广义相对论的普适性就受到了极大的挑战。如果严格来说，广义相对论也是一种唯象理论。

注：虽然广义相对论应用于宇宙学的弗里德曼方程本身并不直接给出哈勃定律的形式，但我们可以通过对以前不含宇宙学常数Λ的弗里德曼方程的解读和合理假设来推导出哈勃定律。另外，由弗里德曼方程(2)可以看出，不加入宇宙学常数Λ(暗能量)描述的宇宙是减速膨胀的；在宇宙学常数Λ起主导作用下，宇宙空间尺度因子随时间增长的关系a(t)~e^Hot，这一重要结果与我们给出的宇宙膨胀尺度随时间的变化关系r=roe^Hot相同，但与弗里德曼方程不同的是，我们由此给出的不同距离星系退移速度与距离成正比的哈勃定律，可在进一步描述其中每一星系持续退移过程中自然呈加速运动状态，与宇宙加速膨胀相对应。而由不含宇宙学常数的弗里德曼的解读与合理假设推得的不同距离星系退移速度与距离成正比的哈勃定律，再进一步推想可能描述的每一星系在持续退移过程中的速度一般是匀速的，似乎与宇宙加速膨胀不对应。

从物理学的发展史来看，我们一开始认为的普适性理论大都被后来的理论取代成唯象理论，就和螺旋式上升一样。经典力学中牛顿第二定律和万有引力定律、电磁学麦克斯韦方程组、量子力学薛定谔方程、广义相对论引力场方程等，大都是在以观测结果和事实总结凝练唯像理论基础上，进行高度抽象概括出来的理论架构。物理学自实验工作到唯象理论再到理论架构和揭示其物理机制是自表面向深层不断深入的发展过程。

说了这么多，就是为了让人明白理论普适性的问题，这时候你再看看量子力学，或许就会有全新的认知。
量子力学是在20世纪才发展起来，之所以这么晚，主要是之前人类的显微镜水平远远不够，在19世纪，人类的显微镜能看见大分子就已经很厉害了，还很难达到原子尺度。
虽然微观和宏观世界没有明确的界限，但一般认为达到原子级别之下，才属于真正的量子世界。到19世纪末，20世纪初，人类依靠显微镜结合其他方式才真正打开原子内部的世界。
人类第一次了解到原子的结构后，发现很多现象难以解释，而摆在物理学家面前最棘手的问题就是电子绕原子核的运动规律与经典力学完全不符。
因为按照麦克斯韦方程式的预言，电子绕原子核运动是变速运动，那么电子就会辐射电磁波，从而导致能量不断降低，继而坠落到原子核上，而是事实并非如此。
为了解决这一问题，玻尔利用了当时最时髦的理论，也就是普朗克的能量量子化概念以及爱因斯坦光量子概念，虽然玻尔和普朗克等一样起初都很不认可爱因斯坦光量子概念，直到爱因斯坦由光量子概念获得诺贝尔物理学奖三年后，到1924年，玻尔等人完成了《辐射的量子理论》论文，随着这篇论文的失败宣告了“旧量子理论，即对应原理量子理论”的终结，被实验事实无情地否定后，玻尔才接受光的波粒二象性观点，认识到波动和粒子的两重性是物质的一种内在普遍属性。玻尔认为如果电子所在的轨道刚好在与普朗克常数成正比的量子化轨道上，那么电子则可以在不辐射能量的情况下存在，并且不会掉落到原子核上。

后来，受爱因斯坦光的波粒二象性概念启发，德布罗意的研究表明，如果存在这样的量子化轨道，那么电子应该具有波动性，在量子化轨道形成驻波。再后来，德布罗意认为，除了电子和光子，所有的粒子都具有波动性，包括宏观物质也具有波动性。这就是德布罗意的物质波概念。德布罗意关于物质粒子波动性和赋予物质粒子具有内在的周期性因素，蕴含大自然的核心本质。现在看来，揭示物质粒子为何具有波动性的物理机制，可能是揭开宇宙存在基本状态和运转深层奥秘的根本途径。

既然粒子都是波，那波就有波状，而且波状会随着时间不断变化，我们只需描述波状随着时间如何演变就能掌握微观粒子的运动规律，
后来薛定谔方程就完美地量化了粒子波动性的规律。当量子力学发展到薛定谔方程诞生的时候，其实争议还不是很大。

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这时候，爱因斯坦和普朗克还是比较支持薛定谔的研究。随后，量子力学的研究方向才出现重大的分歧，争议也达到了巅峰。这个时间节点在1927年。因为这就在一年，哥本哈根学派诞生了。
就在同年，第五次索尔维会议召开，爱因斯坦和波尔发生激烈舌战，质疑哥本哈根学派的声音开始白热化。

那量子力学各种学派到底在争什么？

首先要明白，量子力学是研究微观世界的一门学科。研究的对象就是微观世界的运动。不管是哪个学派，微观世界公认的现象有波粒二象性，量子叠加，测量坍塌等等。但当如何解释这些现象时，却出现重大分歧。

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比如在电子的双缝干涉实验中，只要我们去探测电子，电子就会丧失波动性，从而表现出类似宏观世界的实体粒子。并且在测量前，这些所谓的“实体粒子”并没有明确的位置，测量行为也只能预测粒子出现在某一位置的概率。

所以身为哥本哈根学派的玻恩才认为，我们不应该把薛定谔方程中的波动性只看成是波，这种波的本质应该是几率波，也就是粒子出现在某一空间是概率随机的（概率波和几率波并不一样），这种随机性在空间表现上就特别像是波的形状。
所以哥本哈根学派将粒子的波函数视为一种概率随机事件，而爱因斯坦无法相信这种解释，在爱因斯坦看来，不会解释就不要乱解释，上帝是不掷色子的(shai zi)，所谓的概率，其实是因为哥本哈根学派对量子力学的诠释不具有完备性，背后肯定还有隐藏的变量在作祟。当然，目前以大贝尔实验的结果来看，爱因斯坦极大可能是错的。
在波粒二象性上，波尔用互补原理来解释，这一原理的直白表述就是，在描述微观物体的量子行为时，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。粒子性和波动性不是独立的，而统属粒子内部的一致性，之所以我们看到粒子有时候是波动性，有时候是粒子性，是因为我们故意设置了实验仪器。

如果想观察光的波动性，我们就将实验装置设计成杨氏双缝的样子，如果想观察光的粒子性，就又将装置调成光电效应实验。所以对于光到底是波还是粒子这样的问题，是不具有物理意义的，因为波动性和粒子性其实就是粒子的内禀属性，这种性质也没有任何明显的分界线。在理论上，我们也不可能制造出可以同时观察波动性和粒子性的实验装置。(注：这一点已被突破，近些年已经实现了同时观测到波动性和粒子性。)
以上就是波尔互补原理诠释的波粒二象性，其实在这一点上，其他学派对哥本哈根学派诠释的质疑还不是很大。
争议最大的是在测量坍塌上，我们知道，测量粒子会导致粒子的波函数坍塌，导致波动性“丧失”，而表现成粒子性。
目前主流学界关于波函数坍塌过程有四种解释：
其一最经典的说法是哥本哈根学派的诠释。

该学派认为测量行为和波函数坍塌应该视为一个整体的系统，测量即坍塌。所以不应该将测量行为独立于坍塌之外。

但在其他学派看来，哥本哈根学派永远只是描述现象，从不直面本质。
第二种比较流行的诠释是罗杰•彭罗斯提出的引力坍塌。
这种诠释认为，如果一个量子物体处于多个位置的叠加状态，每个位置状态都会通过它们的引力相互作用“感觉”到其他的位置状态。就好像这种引力导致物体测量自己，迫使它坍缩。
第三种诠释是自发坍塌说，简称GRW模型。
GRW模型认为，波函数坍塌是自发进行的，因为波函数总是会受到某些未知因素的干扰，这些干扰就会诱导波函数自发的坍塌成可观测的状态之一，也就是本征态。自发坍塌的快慢取决于量子系统的尺度。如果系统尺度比较小，比如说次原子粒子，那么它自发坍塌的时间就比较长，所以很长时间都会保持波函数原来的状态。而如果系统十分大，比如说宏观物质，那么系统内的波函数就会瞬间坍塌。GRW也是解释宏观物质为什么没有量子效应（量子退相干）的理论之一。
第四种诠释则是冯诺依曼-维格纳诠释。也就是著名的意识假说。
冯诺依曼认为，量子力学不但对微观粒子有效，对宏观的测量仪器乃至于观察者同样有效。也就是说，不存在所谓的经典世界和量子世界的边界，它们都是由量子力学描述的。一切宏观物质都是由量子微粒构成，因此我们必须假定即使是宏观物体，也会遵循量子力学规律，所谓的宏观物质也是大量粒子在一起显示出来的涌现现象。意识的变化必然会引起微观粒子量子状态的改变。而目前我们对意识的本质知之甚少。
所以意识可能就是唯一一个不遵守量子规则的因素。而波函数坍塌的过程也是神秘莫测的，这样的过程必然是由另一种独立于规则之外的因素引起的。而目前来说，只有意识符合这样的要求。所以是意识引起的波函数坍塌。
关于波函数坍塌的诠释还有很多，比如多世界诠释、赵国求教授的双四维时空诠释，等等。
量子力学的各个学派并不是否认量子力学的反常识现象，而争的是对这种现象的解释权。
哥本哈根学派之所以能成为诠释量子力学的主流理论，主要是因为和实验数据高度吻合。但哥本哈根学派从不过分纠结量子力学背后的内在机制，所以，以哥本哈根学派为主流的量子力学被诟病成唯象理论也是正常的。
事实上，并不是哥本哈根不在乎量子现象的内在机制，而是无能为力。科学永远只是归纳现象，从不解释现象。如果我们非要追求一个所谓的普适性理论，从而着急解释现象，只会陷入到哲学里。
假设A现象的内在机制是B现象引起的，那么B现象的背后机制又是什么引起的？这样下去就和俄罗斯套娃一样，就没完没了了，这些深度思辨的活是哲学家的任务，而不是科学家的责任。
现在看来，其实并不是这样的。哥本哈根的解释越来越被边缘化了。随着研究的深入直到最后，结合实验观测结果和理论分析研究，终归要体现出物质粒子内在的周期性因素与其空间本底量子辐射相生相伴和相互作用这个物理原因，通过提出物质粒子辐射空间本底量子新概念，说明这种相互作用是相关物理现象背后的根本原因或终极原因。由此，可以自然地揭示出物质粒子波动性的物理机制，阐明时空起源与惯性起源和引力机制，从而解释宇宙膨胀及加速膨胀和星系旋转曲线，解决物理学及其相关的一系列疑难问题，并从物理化和物质化角度，把以下这些伟大的公式和定律系统地统合起来(且把其中3~10的物理公式系统推导出来)：