丁家齐、韩东听译
编辑 丁家琪
写科学新闻有多难，我想我不需要向你们介绍。 关于医学和科技的新闻可能还好，这实际上是一个与大多数人日常生活密切相关的学科，但写数学就更困难了，因为化学和物理是用超出我们日常生活范围的语言写的内的语言。 在数学范围内，最难的科目是量子热，它是如此违反直觉（-），以至于只能用物理学的语言来准确描述。 虽然这都是出于怜悯（笑声），因为我昨天要谈论的是量子热中奇怪的、甚至违反直觉的元素，它们是如何形成的，以及它们是如何解释这种性质的。 两种思想流派，而且它也会解释为什么我和其他一些理论化学家（不是全部）对这个理论如此不满意，以及科学家下一步应该做什么——也许我们可以发明一种新理论，将量子热力学外推到更广泛的范围。
“但是这种概率难道不是表明我们对我们的研究对象了解不够吗？”
量子热的奇怪之处可以追溯到 19 世纪末和 20 世纪初，当时化学家们正在努力弄清楚世界是由什么构成的。 他们原本认为物质有两种不同类型：原子、电子、原子核等，原子内部都是粒子（），而分散在空间中的则称为场（场），如电磁场、引力场等。 。 到了19世纪末，科学家们早已知道光的本质是一种可以独立存在并自我维持的电磁场。 然而，1905年，爱因斯坦发现，加热物体形成的光实际上可以分解为无质量的粒子，这些粒子后来被称为光子（）。 另一方面，在20年代，路易斯·德布罗意（）、埃尔文·薛定谔（Erwin Schrö）等人发现，迄今为止一直被视为粒子的电子实际上是具有波的。 自然。 为了理解原子基态的性质，我们不能仅仅将电子视为遵循牛顿定律围绕原子核旋转的粒子，而是将其视为波——围绕原子核扩散的波，就像音管中的声波一样一个器官的。
这种波也有不同的状态，不同的稳定状态代表原子的不同基态，就像管风琴形成的不同音调一样。 除此之外，这些“电子波”与水波等物质波不同。 当一波海水撞击到礁石时，它会向各个方向漂浮，但电子撞击原子核后，它仍然只是一个电子，要么往那边走，要么往那里走，但它不会分裂并朝各个方向漂浮。同时。 马克斯·玻恩（Max Born）通过计算表明，电子的波是概率波，它代表了电子出现的概率。 电子可以去任何地方，但它最有可能到达的地方是波密度最大的地方。
那么，奇怪的事情来了：在量子热领域，化学家早已习惯用“概率”来描述现象，但概率不就说明我们对研究对象还没有完全了解吗？ 在牛顿的理论中，自然是完全确定性的，也就是说，如果你知道太阳系中所有物体的位置、速度和相互作用，理论上你就可以计算出它们在任何时候的位置。 只有当你没有完全理解某件事时，你才会用到“概率”的概念，就像你把一个骰子扔到地上，你不知道它会如何移动，也不知道它会在哪里结束一侧。 但概率从来都不是自然基本定理的一部分，量子热力学广泛使用概率来描述现象。
1926年，玻恩提出电子波函数的本质是概率后，爱因斯坦给他写了一封信说：“量子热很好，但我内心的声音告诉我，它不是事物的真正本质。这个理论可以“虽然得到了不错的结果，但它并没有告诉我们上帝的秘密。无论如何，我相信上帝不会掷骰子。” 直到 1964 年量子物理学七个理论，化学家理查德·费曼 ( ) 在康奈尔学院的一次演讲中仍然表示：“我想我可以自信地说，没有人真正理解量子热。”量子热迈出了这样的一步，以至于数学家们掌握了量子热之前的所有数学知识。数学的内容统称为“经典数学”，与“量子化学”相对。
不过，在大多数情况下，量子热的奇点本身并不会造成问题。 化学家们早已学会利用量子力学来获得更加精确和成功的估计。 劳伦斯·克劳斯称氢原子的量子热估计是所有科学中最准确估计的数量，这一点并不夸张。 量子热已成为我们理解原子、原子核、导电性、磁性、电磁辐射、半导体、超导体、白矮星、中子星、核力和基本粒子的基础。 即使是当今理论化学领域最大胆的想法——弦理论，也是建立在100年前形成的最基本的量子热的基础上的。 因此，包括我自己在内的一些化学家此前认为爱因斯坦和薛定谔对量子热的反对有些言过其实。
牛顿的理论在他提出之前也让很多人感到不舒服，即两个相距很远的物体可以相互作用，即使它们之间没有有形的拉或推。 这种扎实的科学带来了一些神秘的超自然激励，引起了当时笛卡尔追随者的反对。 据悉，牛顿万有引力定理无法用一些基本的哲学定理来引入，这也是莱布尼茨及其追随者反对的原因之一。 牛顿定理没能达到很多前人对宇宙定理的期望，比如托勒密（我们已经放弃了托勒密的地心说）、开普勒。 开普勒年轻时，他觉得行星的大小和轨道可以由一套基本原理来指导，而牛顿引力理论中的那些只能通过观察来获得，这是非常沮丧的。 然而，随着时间的推移，牛顿的万有引力理论逐渐显示出它的优势，最终成为压倒性的最成功的理论，它可以解释大到行星，小到苹果的物体运动，包括地球的形状、彗星等。 ，甚至还有月亮。 可以解释一下。 到十八世纪末，几乎所有人都同意牛顿的理论是正确的，或者至少是一个非常成功的近似。 因此，没有必要强迫一个新诞生的理论遵守某些现有的哲学标准。 我们需要让它顺其自然，看看我们能从中得到什么，实际上我们需要反向改变我们的理念。
“但最近，我发现我对量子热不再像以前那么舒服了。”
那么量子热存在哪些问题呢？ 在量子热力学中，我们使用波函数（波）来描述粒子。 波函数本质上是一系列数字，每个数字代表系统的一种可能状态。 如果系统只包含一个粒子，那么波函数中的每个数字都对应着这个粒子所有可能的位置，数字的大小代表了它在这个位置出现的概率。 那么存在哪些问题呢？ 爱因斯坦和薛定谔晚年彻底放弃量子力学，其实是错误的。 这是一个悲惨的错误，使他们在量子热快速发展的浪潮中落后了。 过去我对量子热的研究方式和成就非常满意，并不太关心关于它的基本概念的争论，但现在我不太确定（now I'm not so ） 。 在教授了一门量子力学课程以及最近写了一本关于量子热的书之后，我发现我不再像以前那样对量子热感到满意，也不再像以前那样对它的批评不屑一顾，尤其是在我看到很多对量子热学感到满意的科学家时，他们自己对量子热学含义的理解并不一致。
问题的焦点在于“测量”的行为。 举个最简单的反例，电子载流子的检测：载流子也叫角动量，是一个用来判断物体绕轴“旋转”速度的数学量。 所有理论都表明，而实验却否认了，当你检测到一个电子载流子时，它只能取两个值之一，+h/4π或-h/4π（h是普朗克常数），可以理解为电子旋转绕轴顺时针或逆秒旋转。 但只有当你检测到时，电子才会取这两个值之一。 当你没有探测到的时候，电子的载流子状态就是这两种状态的叠加状态，就像两个声音叠加在一起形成同一个声音，但是当你探测到的时候，你就迫使电子进入了这两个载流子之一状态，无论是积极的还是消极的。
电子载流子的直观描述。 图片来源：
如何检测携带者？ 将电子放入磁场中，磁场的方向与你想要检测电子载流子的方向一致。 载波可以用波函数来描述。 如果只考虑关于载波的波函数部分，则只包含两个数字，一个代表正载波，另一个代表负载载波。 量子热中有一个规则叫玻恩规则，以刚才提到的马克斯·玻恩命名，它告诉我们如何用波函数来估计电子载流子为正或负的概率——这个概率就是波函数的平方份量。 这有什么不好的地方呢？ 问题不在于概率。 量子热发展了这么多年，我们完全可以容忍概率的存在。 问题在于，电子载流子随着时间的推移服从薛定谔多项式（更准确地说，是与时间相关的薛定谔方程），但薛定谔多项式本身不包含概率，它像牛顿运动多项式一样是完全确定性的。 但如果所有物体和系统的波函数以及所有数学规则都是确定性的，那么概率从何而来？ 这就是量子热的问题。
“如果所有数学规则都是确定性的，那么概率从何而来？”
对此的常见解释称为“退相干”( )。 任何对电子的探测都需要外部探测仪器与电子之间的相互作用，而外部世界充满了不断的扰动和波动，而我们尚未完全了解这一点。 例如，如果你想看到某个东西，你需要将一束光子照射在它的头上，但这个过程是复杂且不可预测的，至少在实践中是这样（甚至可能在原则上也无法预测），就像包含数千个的洪水一样的雨滴。 为此，检测侵入了系统，将概率变成了真正的化学现象。 还以电子载流子作为反例，有时音乐厅里会出现噪音，当两个音符同时响起时，我们只看到一种声音——代表正载流子的那种，或者是代表正载流子的那种。负载流，这也是不可预测的。 但这些解释回避了问题的本质：无论如何，量子热和薛定谔多项式不仅统治着电子，还统治着仪器和化学家本身。 它们都受确定性数学定理的支配。 ”和“内部”人为区分它们来解释概率的出现是苍白无力的。尼尔斯·玻尔也提出了一种解释，著名的阿姆斯特丹量子热推论（），他觉得量子热并不能描述探测，它不描述像数学仪器或化学家这样的宏观物体，只描述像原子这样的微观物体。大自然是如此巨大和复杂，以至于当你用宏观仪器检查量子系统时，你引入了机会。我认为大多数（如果不是全部）化学家今天我们无法接受这个解释，因为它假设宏观和微观之间存在一个边界，而我们不知道这个边界存在于哪里，也不知道如何定义它，我们甚至怀疑这个边界似乎并不存在。那时，我正好是阿姆斯特丹尼尔斯·玻尔研究所的研究生，但他当时德高望重，而我只是一个小人物，所以我没有找到机会问他这个问题问题（观众笑）。
“如果人类意识在特别基础的层面上参与了自然的基本定理，我们就无法用客观定理来解释意识。”
为了解释这个问题，目前数学学术界分为两个学派，或者说已经形成了两种方式，一种叫“工具主义”（），另一种叫“实在论”（），我不这么认为。不认为任何一个都那么令人满意。 工具主义方法并不将波函数视为真实的，而是将其视为预测概率的工具。 我不喜欢这些方法，因为有以下诱因：首先，“打破砂锅问真”的精神是科学探究的悠久传统，但工具主义者却放弃了“波函数是什么？”的问题。 这个传统已经被放弃了； 还有更深层次的动机，由于这种方法放弃了波函数是什么的问题，而只是估计它，所以告诉我们如何估计波函数的定理必须被视为宇宙的基本定理，而这个过程从波函数到最后的结果都需要经过检验量子物理学七个理论，而这个定理只有经过人们的检验才能告诉我们结果，这意味着人们在一个特别基础的层面上参与了自然的基本定理。 对我来说，这相当于放弃了科学的另一个基本理念：既然人类参与了最基本的自然法则，我们就不能通过与人类无关的基本定理来解释人类。 ，以及人与自然的关系。 尤金·维格纳（ ）可以通过这些方式接受量子热。 他说：“不可能构造出一套与意识无关的量子热定律。” 但如果你涉及到自然的基本定律 意识，在我看来，你就相当于放弃了自然基本定理来解释意识。
一些支持工具主义者观点的著名化学家会这样反驳：人类做决定时不一定要形成概率。 无关紧要。 但我认为这些观点完全站不住脚，因为我认为只有当人们决定测试哪些量时，概率才会形成。 以海森堡测不准原理为例：你可以用波函数推论来发现一个粒子处于某个位置的概率，也可以推断出找到它具有某个动量值的概率，但你不能讨论这个概率因为不存在这样的粒子可以处于位置和动量都完全确定的状态。 我们还可以以载流子为例：我们可以讨论一个粒子沿西向轴为正载流子的概率，我们也可以讨论其沿东向轴为正载流子的概率，但我们很难讨论它同时，沿两个轴存在特定载体的状态。 由于这种状态根本不存在，所以载体一次只能存在于一个方向，也就是你检测到的方向。
解决概率问题的第二种方式称为“实在论”（ ）方式，即相信波函数是真实存在的。 他们认为波函数确实描述了自然，并且是自然的一部分。 物体随时间的状态变化是由（确定性的）时间相关薛定谔多项式引导的，而不是其他任何东西。 那么现实主义者对测试有何看法呢？ 实在论者会说，在我们探测到电子载流子之前，它的波函数是两种载流子方向的叠加，而探测到之后永远是两种可能性的叠加，在其中一个世界中，观察者发现它的载流子是阳性，并在《物理评论》（）上发表结果，大家都认为它的载体是阳性的，而在另一个世界，观察者观察到它的载体是阴性的，大家都认为它的载体是阴性的。 因此，虽然这个波函数仍然是两种状态的叠加，但世界的历史已经分成了两个分支，一个分支的人们并不知道另一个分支的存在。 这些“多历史”（multi-）理论，又称多世界理论，最早由耶鲁大学博士生休·埃弗雷特（休三世）于1953年提出，其新颖的概念被运用到各种悬疑作品中，也提供了多元宇宙（ ）理论的可能支持。 如果你身处多元宇宙理论的世界并问“为什么会这样？” 你可能在不同的宇宙（不同的历史线）有不同的答案，甚至在某些分支中你根本不可能存在，否则这个问题就不会被问到。