量⼦⼒学的不同解释

作者: Eugene Wang

来源: 万象经验

发布日期: 2023-01-24 13:33:18

本文探讨了量⼦⼒学的不同解释,包括哥本哈根解释、EPR悖论、多世界解释等,分析了这些理论对量⼦世界中隐藏变量、定域性、非定域性等问题的看法和争议。

量⼦⼒学的哥本哈根解释包含这样⼀种观点,即不存在导致量⼦世界概率的确定性隐藏变量。这意味着通常不可能确定地预测任何测量的结果,并且没有隐藏在量⼦⼒学之下的更深层次的现实。但还有其他理论拥抱决定论,并⼀直在寻找这些隐藏变量。1932年,约翰·冯·诺依曼提声称可以证明没有隐藏变量的存在。但是,他的证明的有效性受到哲学家赖欣巴哈的质疑。

阿尔伯特·爱因斯坦坚持认为量⼦⼒学不可能是⼀个完整的理论,他的⾸选论点依赖于定域性原理。他与鲍⾥斯·波多尔斯基和内森·罗森⼀起提出了⼀个思想实验,现在被称为EPR悖论。该思想实验涉及⼀对处于纠缠态的粒⼦。如果测量第⼀个粒⼦的位置,则可以预测第⼆个粒⼦的位置。同样,如果测量第⼀个粒⼦的动量,那么第⼆个粒⼦的动量也可以预测。

他们认为,对第⼀个粒⼦采取的任何⾏动,都不能⽴即影响另⼀个粒⼦,因为这将导致信息传输速度⽐光速更快,这是相对论所不允许的。他们认为,如果没有任何分配系统的⽅式,我们就可以确定地预测⼀个物理量的值,那么就必须存在⼀个与该量相对应的现实元素。由此,他们推断出第⼆个粒⼦在被测量之前必须具有确定的位置和动量值。这与量⼦⼒学相⽭盾,因为海森堡不确定性原理要求不能同时确定位置和动量。

他们假设现实中的这些元素是定域的,因为每个元素都属于时空中的某个点。玻尔对此的回应是,他认为他们的推理是错误的,因为位置和动量的测量是互补的,选择测量⼀个就排除了测量另⼀个的可能性。对爱因斯坦来说,他看到的最重要的问题是⾮定域性,对粒⼦A进⾏的测量会导致粒⼦B有两种不同的量⼦态。他认为由于定域性,粒⼦B的真正状态不能依赖于对A进⾏了哪种测量,因此量⼦态不能与真实状态相关。

1951年,⼤卫·玻姆提出了EPR思想实验的变体。如果我们使⽤发射电⼦-正电⼦对的源,其中电⼦去往点A⽽正电⼦去点B。在A点爱丽丝是我们的观察者,在B点鲍勃是我们的观察者。如果我们假设这些对纠缠在⼀起,那么有两种情况:电⼦的⾃旋向上⽽正电⼦向下;电⼦⾃旋向下⽽正电⼦向上。由于粒⼦处于叠加状态,如果不进⾏测量就不可能知道任⼀粒⼦的⾃旋状态。

假设爱丽丝现在测量⾃旋,如果她测量到⾃旋向上,这意味着如果鲍勃现在要测量⾃旋,我们将百分百确信他会测量到⼀个向下的⾃旋。事实上,⾃旋有可能不是沿着上下⽽是沿着X或Y轴,如果爱丽丝测量到正X⾃旋,鲍勃随后会测量到负X⾃旋。⽆论他们的⾃旋是沿着什么轴测量的,它们总是相反的。在量⼦⼒学中,X⾃旋和Z⾃旋是不相容的可观察量。

所以如果爱丽丝测量Z⾃旋并获得正Z结果,⽽现在鲍勃违反规定测量X⾃旋,在这种情况下,鲍勃有50%的机会测量到正X值。当沿与爱丽丝的电⼦相同的轴测量时,鲍勃的正电⼦将具有确定的⾃旋;但当在不同的轴上测量时,它的⾃旋将是均匀随机的。这似乎意味着信息是从爱丽丝的位置即时传播的,从⽽使鲍勃的正电⼦呈现确定的⾃旋。1964年,⻉尔开始研究是否可以使⽤隐藏变量解决⾮定域性的问题。

他表明,当爱丽丝和鲍勃都在同⼀轴上进⾏测量时,隐藏变量可以解释这⼀点。但是,当允许任何⻆度测量时,局部隐藏变量理论变得⽆法重现量⼦⼒学相关性,然后就产⽣了所谓的⻉尔不等式。⻉尔随后表明,量⼦物理学预测了违反这种不等式的相关性。隐藏变量可以解释预测的唯⼀⽅法是它们是⾮定域的,这将意味着⽆论这两个粒⼦相距多远,它们都能够⽴即相互作⽤。是否只有⼀种⽅式来看待⻉尔定理?

在哥本哈根解释中,违反⻉尔不等式视为拒绝通常称为“反事实确定性”的假设的理由。这意味着不可能有意义地谈论尚未执⾏的结果的确定性,换句话说,就是未执⾏的实验没有结果。还有其他理论采⽤⾮常不同⽅法对此进⾏解释。多世界解释,也被称为埃弗雷特解释。休·埃弗雷特是⼀位美国物理学家,他⾸先提出了量⼦物理学的多世界解释。与哥本哈根解释不同,波函数永远不会坍缩,它认为量⼦叠加的所有可能性在客观上都是真实的。

它可以产⽣违反⻉尔不等式的相关性,因为它违反了⻉尔的隐含假设。在埃弗雷特看来,是我们的现实概念出了问题。我们认为测量结果只有⼀个,⽽实际上所有这些结果都发⽣了,⽽我们只能看到这些现实中的⼀个,其他现实具有单独的物理存在。因此,整个宇宙可以被认为是⼀个巨⼤的波函数,其中包含所有可能的现实。它开始于所有粒⼦所有可能状态的叠加,随着它的演化,其中⼀些叠加分解,使某些现实彼此不同并相互隔离。

因此测量⾏为并没有真正创造新的现实,只是将它与其他现实分开。在1970年代和80年代,当⼀个叫做退相⼲的概念被开发出来时,这个理论被赋予了新的⽣命,它为量⼦世界分裂提供⼀个明确的理由。使⽤整个概念,世界的分裂并不是突然事件,⽽是通过退相⼲演化。这个概念的主要科学吸引⼒在于,它不需要对量⼦⼒学的标准数学表示进⾏任何更改或增加,波函数没有神秘的坍缩,并且它预测的结果与我们观察到的完全⼀致。

尽管多世界解释消除了⾮定域性最令⼈烦恼的⽅⾯:远距离作⽤,但量⼦⾮定域性的其他⽅⾯:远程物体以纠缠形式表现出来的不可分离性仍然存在。还有随机⼒学、导波理论等其他解释,我们以后再说。

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