描述量子力学波函数演化的薛定谔方程是确定性的波动方程,本身并不涉及概率,甚至不会出现经典力学中对初始条件极为敏感的“混沌”现象。那么,量子力学中反映不确定性的概率究竟是怎么来的呢?
量子力学诠释的问题,一定程度上是与若干哲学问题相关的。物理与哲学,探索的都是世界的本源问题,因此,最早期的物理学家,同时又是伟大的哲学家。此外,几乎所有的物理学大师到了晚年都会走向哲学思维,温伯格的思想转变也可算作一个例子。
著名理论物理学家Steven Weinberg从2016年开始,多次提到他对量子力学的不满。在量子力学的发展过程中,不乏提出质疑的物理大师,爱因斯坦就是最著名的一个,当初持怀疑态度的还有普朗克、德布罗意和薛定谔。他们都是赫赫有名的量子力学创始人。
另一方面,绝大多数物理学家,甚至也包括上述抱质疑态度的大师们,都一致认为量子论对人类社会做出了杰出的贡献。量子力学被认为是自然科学史上被实验证明了的最为精确的理论,它是我们理解原子、原子核、电磁性,以及半导体、超导,等微观现象的理论基础。
对量子理论诠释的认识有一个过程,温伯格说,他曾经同大多数物理学家一样,认为量子力学只要实用就够了,无需深入探讨其基本概念和含义,但最近几年,他对量子力学的各种诠释越来越不满意,呼吁物理学家找到新的理论来解释量子力学中存在已久的问题。
量子力学与经典力学之不同,可以从它们对粒子(比如电子)运动的描述为例来说明。在牛顿力学中,粒子用它的“运动轨迹”来描述。而在量子力学中,电子表现出“波粒二象性”,量子力学用波函数描述(一个)电子的运动。
为了回答上面的问题,物理学家一般将波函数解释为概率波。对此,我们又回到温伯格之困惑。有关概率波,他有一段话发人深思:概率融入物理学使物理学家困扰,但是量子力学的真正困难并非概率,而是这概率从何而来?
然而,在经典物理学的框架中,不确定性是来自于我们知识的缺乏,是由于我们掌握的信息不够,或者是没有必要知道那么多。如果我们对硬币飞出时每个点的受力情况知道得一清二楚,然后求解宏观力学方程,就完全可以预知它掉下来时的方向了。
1935年,爱因斯坦针对他最不能理解的量子纠缠现象,与两位同行共同提出著名的的EPR佯谬,试图对哥本哈根诠释做出挑战,希望能找出量子系统中暗藏的“隐变量”。
量子力学创始人之一的海森堡,给出了微观世界的不确定性原理。这个原理表明,粒子的位置与动量不可同时被确定,位置的不确定性越小,则动量的不确定性越大,反之亦然。不确定性原理被无数实验所证实,这是微观粒子内秉的量子性质,反映了世界不确定的本质。