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March 20, 20185:30 PM ET
ADAM BECKER
Pasieka/Science Photo Library
RF
量子物理学的核心有一个洞。
这是一个很深的洞。然而,
这不是一个防止这个理论起作用的洞。不管怎样度量,
量子物理学是惊人成功的。这是几乎支撑着所有的现代技术的理论,
从嵌埋在你手机中的硅芯片到屏幕上的发光二极管,
从最遥远的空间探针的核心到超级市场检测扫描仪中的激光器。它解释为什么太阳照耀以及你的眼睛怎样能看见。量子物理学起作用的。
然而,
这个洞依然存在:
尽管这个理论的狂野成功,
但我们没有真的理解它说的关于我们周围的世界。这个理论的数学关于实验结果和自然现象做出令人难以置信的准确预测。为了做到这一点,
这个理论一定已经捕捉到了一些关于我们周围世界的本质的深刻的真理。然而, 对于这个理论所说的关于真实或甚至是否它说的所有关于它的任何事情有非常大的不一致。
甚至在量子物理学中最简单的东西变得难以破译。就说你要描述一个单一的微小物体的位置------仅仅一个电子的位置,
这个我们知道的最简单的亚原子粒子。有三个维度,
因此你可能会期望你需要三个数字来描述这个电子的位置。这在日常生活中当然是真的: 如果你要知道我在哪里,
你需要知道我的纬度,
我的经度以及我在的地面上的海拔高度。但在量子物理学中,
原来是三个数字是不够的。相反,
你需要一个无穷的数字, 分散在所有的空间中,
只是来描述一个单一电子的位置。
这个无穷的数字集合被称为"波函数",
因为这些跨空间散布的数字通常会平滑的变化,
像一个波浪一样起伏。有一个描述波函数怎样涟漪过这个空间的美丽的叫做薛定谔方程的方程
(以欧文-薛定谔命名,第一个在1925年发现了它的奥地利物理学家)。波函数就像一个下落的岩石服从牛顿的运动定律一样最服从薛定谔方程:
它是某些像一个自然法则一样的东西。而就像自然法则一样的,
这是一个相当简单的,
尽管一开始它数学上能看起来禁止的。
然而,
尽管薛定谔方程的简单性和美丽,
波函数是相当怪异的。为什么你需要这么多信息------一个散布过所有空间的无穷的数量------只是来描述一个单一对象的位置呢？也许这意味着这个电子在某种程度上被涂抹了。但就像它原来是的一样,
这不是真的。当你实际上寻找这个电子时,
它只在一个地方出现。而当你确实发现这个电子时,
某些甚至更奇怪的事情发生:
这个电子的波函数暂时的停止服从薛定谔方程。相反,
它 "坍塌"，除了在你发现这个电子的地方中所有它的无穷的数字都变成零。
因此什么是波函数？为什么它们仅有时服从薛定谔方程呢？特别是,
为什么它们只当没有人正在看时才遵守薛定谔方程呢？这些悬而未决的问题在量子物理学核心的这个洞周围划线。特别是最后一个问题是臭名昭著的,
它已经被给予了一个特殊的名称"测量问题"。
测量问题似乎像它应该停止量子物理学在它的轨道中一样。"看"或"测量"
是什么意思呢？对于这一点,
没有普遍一致同意的答案。这反过来意味着我们真的不知道什么时候适用薛定谔方程什么时候不适用薛定谔方程的。如果我们不知道这一点------如果我们不知道什么时候来用这个法则和什么时候相反把它放在一边------毕竟我们怎样能用这个理论呢？
实用主义的答案是当我们物理学家做量子物理学时,
我们往往认为它为这个超微小的物理学。我们通常假定薛定谔方程并不真的适用于足够大的物体------比如桌子、椅子和人类,
在我们日常生活中的东西。相反,
作为一件实用的事情,
我们假设这些物体服从牛顿的经典物理学,
而那个薛定谔方程当这些对象中的一个与某些来自小的量子世界的东西互动时停止应用。这在大多数情况下都能很好起作用来得到正确的答案。但几乎没有物理学家真的相信这是这个世界实际起作用的。过去几十年的实验已经表明了量子物理学适用于更大、更大的物体,
并且在这一点上几乎无疑问它适用于各种大小的物体。真的,
量子物理学被常规的和成功的用来描述有的最大的东西------宇宙本身------在既定的物理宇宙学的领域。
但如果量子物理学真的适用于所有的尺度,
对这个测量问题真正答案是什么呢？在量子世界中实际上正在发生什么呢？从历史上看,
这个标准答案是说没有测量问题,
因为当没有人正在看时来问正在发生什么是没有意义的。当没有人正在看时发生的事情是不可观测的,来谈论不可观测的事情是毫无意义的。这个立场被称为量子物理学的
"哥本哈根解释",
以伟大的丹麦物理学家尼尔斯玻尔的家乡命名。玻尔是量子物理学的教父,
是哥本哈根解释背后的原力。
尽管它作为这些量子问题的默认答案的历史地位,
但这个哥本哈根解释是不充分的。它对在量子物理学世界中正在发生的没有说任何事情。在它的关于这个真实的本质的顽固沉默中,
它没有提供毕竟为什么量子物理学起作用的解释,
因为它能指出在这个理论的核心这个世界没有任何像数学结构一样的东西的特征。来宣告不可观测的事情毫无意义没有任何令人信服的逻辑或哲学依据。而"不可观测的"
这个词并没有怎么样远比"测量"这个词被更好定义。因此宣称不可观测的东西毫无意义不仅是一个愚蠢的立场,
它是一个模糊的。这种含糊性已经从这个开始就困扰着哥本哈根的解释,今天, "哥本哈根解释"已经成为关于量子物理学的几个相互矛盾的想法的集体标签。
尽管这一大堆的问题,
哥本哈根解释在二十世纪的大部分时候在物理学界内占据压倒性的主导地位,
因为它允许了物理学家来进行精确的计算,
而不用担心在这个理论核心的这些棘手的问题。但在过去30年中, 对哥本哈根诠释的支持已经受到侵蚀。许多物理学家仍然发声支持它------调查表明很多或大多数的物理学家都赞同它------但现在有重要的支持的活生生的替代。
这些替代的最著名的是量子物理学的"多重世界"解释,
多重世界指出薛定谔方程总是适用的而波函数永远不会坍塌。相反,
宇宙会持续的分裂,
每一个事件的每一个可能的结果发生在这个"多元宇宙"的某个地方。另一种替代先导波理论指出量子粒子在它们的运动中受到波的引导,
而粒子反过来能对远距离的波施加比光更快的影响(虽然这不能用来发送比光更快的能量或信号)。
这两种想法给出两种截然不同的真实的描述,
但它们都完美的与我们所知道的量子力学的数学一致。还有其他的修改量子物理的数学的理论,
如自发坍塌理论,
自发坍塌理论提出波函数的坍塌与测量无关,
而是一个完全随机发生的自然的过程。
还有许多、许多其他的替代。解决测量问题的量子基础领域和量子理论的其他基本问题是一个充满创造性想法的生动的主题。量子物理学核心的洞仍然存在------仍然存在一个需要解决的开放性问题------但有许多已经被提出来解决这些问题的令人着迷的理论。这些想法也可能指向物理学中其他问题的前进道路,
例如一种量子引力的理论、自爱因斯坦以来一直是物理学家的终极目标的"一切的理论"。
这是否将通过还有待观察。但这个就哥本哈根解释论述了如此长时间的问题终于正在受到它们应有的重视。测量这个量子孔的深度可能产生一个全新的观点,
不仅关于量子的世界,
而且关于真实本身的性质。
亚当贝克（Adam Becker）是3月20日出版的什么是真实？对量子物理学意义的未完成的探求（What Is Real?: The Unfinished Quest For The
Meaning Of Quantum Physics）的作者。他是加州大学伯克利分校科技史办公室的访问学者。贝克拥有密歇根大学天体物理学博士和康奈尔大学哲学和物理学学士学位。
https://www./sections/13.7/2018/03/20/595286482/the-puzzle-of-quantum-reality
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