严格来说,任何科学都需要解释。 然而,由于量子力学研究对象和理论构建过程的特殊性,对量子力学形式体系的解释就显得尤为重要。
量子力学最需要解释的问题是量子概率、量子相关性(EPR和同质粒子)和量子测量。 在量子力学的发展史上,各个流派都对这些问题提出了自己的看法。
哥本哈根的正统诠释
玻恩于1926年10月提出概率波解释,成为后来所有解释的基础。 为了阐明量子力学与需要用概率解释来解释的经验材料之间的真实关系,海森堡受到爱因斯坦“是理论决定我们能观察到什么”观点的启发,提出了测不准原理:不相容的机械量不能同时进行准确测量。 从1927年3月对波粒二象性的哲学思辨开始,玻尔提出了著名的互补原理:粒子的概念和波的概念既相互补充又相互排斥。 因此,为了全面理解所有实验,需要这些概念。 在特定的实验过程中,不可能同时观察到一个对象的相互补充的特性。 例如,动量和位置不能同时测量。
以玻恩的概率解释为基础想物理学家一样思考,以玻尔的互补原理为核心,以不确定性原理为本质,这就是量子力学的哥本哈根正统解释。 物理陈述和经验陈述在哥本哈根解释中是兼容的。
但正统解释仍存在以下问题,且近年来逐渐恶化:
1)冯·诺依曼的测量解释必须将人类主观意识的非物理因素直接引入到量子力学解释中。 这是非常不和谐的。
2)玻尔的互补原理体现了玻尔的如下思想:一切经验都必须通过经典概念来表达,这就是物理观察的本质。 人们不禁要问:既然量子力学已经取代了经典物理学,为什么量子实验必须用经典物理学的概念来描述呢? 为什么不能在现有的量子力学形式体系中根据实验特征对量子概念给出更加一致的解释? 因此,有人说互补原则只是语言上的改进,回避了现有的问题。
正是由于上述问题的存在,导致一系列新的量子实验问题的解释存在困难。 为了完善和修改正统的解释想物理学家一样思考,各种其他的解释又出现了。
统计系综解释
在第五次索尔维会议上,爱因斯坦提出了这样的观点:波函数所描述的无论如何都不可能是单个系统的状态。 它涉及到一个多粒子系统,从统计力学的意义上来说就是“”。 他在1935年提出著名的EPR论证后,又在《物理与现实》一文中进一步阐明了他的“统计系综解释”。 这一理论解释在20世纪30年代得到了、Boper、等人的支持; 但当时,面对正统解释的强大压力,真正关注系综解释的物理学家并不多。 但另一方面,由于玻恩解释将概率问题带入了物理学的中心,哲学界和逻辑界对量子概率问题的讨论产生了浓厚的兴趣。 卡尔纳普在 20 世纪 30 年代试图将量子概率简化为经典概率。 赖辛巴赫于1947年提出了他严格的频率解释。波普尔在1930年代和1940年代科学哲学中发展起来的各种量子概率解释的基础上,系统地发展了他于1934年独立提出的“趋势解释”。统计系综解释的原理可以从波普尔对量子力学的总结中看出:
1)量子力学与牛顿力学或玻尔兹曼气体理论一样,包含客观的真实属性。
2)量子力学本质上是一种统计理论,不包含任何非经典物理学之外的新的认识论意义。 统计原理原则上是所有物理学的基础。
3)量子力学解释中的几乎所有困难都源于对概率论的误解,特别是源于从拉普拉斯到马赫、爱因斯坦至今物理学中一直存在的对概率的主观主义解释。 旧的传统,以及忽视相对或条件概率的计算。 因此,哥本哈根学派不得不在概率的主观主义解释和客观主义解释之间摇摆。
4)正统解释中的不确定性原理只是一种统计色散关系,对不确定性原理的解释是模糊的。
5)波粒二象性是一种不负责任的说法,我们应该放弃互补性的概念。
6)量子力学不是远距离作用理论。 “波包收缩”并不是量子理论应有的效应特征。 这是某种概率论中将会发生的事件。
那么什么是“合奏”呢? 在1949年出版的《量子力学原理》中,布洛欣托夫首次定义了量子系综:属于同一客观环境的“粒子(或系统)的集合”。 然而,统计系综的解释存在严重的数学基础问题。
潜变量理论
1935年春,爱因斯坦等人在《物理评论》上发表的著名EPR论文,引发了一场关于量子力学理论是否完整的广泛、激烈和长期的争论。
现在普遍认为,EPR论文中讨论的现有量子理论的不完备性是从现实性和局域性两个方面考虑的。 对于现实,爱因斯坦坚信存在一个独立于人类意识的外部世界。 物理理论可以对这个外部世界给出统一的确定性描述,并且该理论预见的实验操作原则上不会影响外部世界本身。
玻尔认为,量子力学所能给出的是对微观世界与实验相互作用所形成的现象的非确定性描述。 分歧的焦点在于对物理现实的理解。 隐变量理论主张我们应该把现有的量子力学看作是一种统计力学,它只给出了测量的物理量的平均值,但在目前经验无法达到的更深层次上,它考虑了每个单独的系统一切都按照严格的确定性法则运动。
人们希望在微观物理领域恢复决定论和因果关系,消除物理学中经典现象和量子现象的区别,重新建立统一物理世界的理论。 例如,在量子信息领域,为了理解EPR长程相关性,需要认识和控制远程粒子完整性中隐含的隐藏变量。 当然,我们目前还无法实现这个梦想。
多个世界的解释
埃弗里特在20世纪50年代首次提出,在我们的“真实”宇宙之外,存在着许多与我们不同的“平行”且互不相连的宇宙,而且它们都是相同的。 的真理。 看来这可以解释为什么薛定谔的猫会处于半死不活的状态了。
在量子力学的正统解释中,波函数完全描述了微观系统的状态。 微观系统的状态根据薛定谔方程决定性地演化。 波函数的平方的绝对值仅代表测量结果的概率,但运算测量的是量子系统的外部观察者。 但观察者的状态、观察者的记忆、甚至观察者心脏和大脑的物理状态都应该是宇宙中固有的。 因此,在彻底的量子宇宙学中,宇宙波函数无法用正统的方式解释。 这些考虑是量子力学多世界解释的基本起点。
“多世界解释”可以概括为:
1)有一个普遍状态,代表整个宇宙的状态;
2)总状态按照确定性的线性动力学方程演化,并且永不崩溃;
3)宇宙是由许多相互不可观测但同样真实的世界组成;
4)对物理现实的完整描述需要人们分别定义宇宙的状态向量和动态变量;
5)完美测量中代表总状态的状态向量会自然分解为相互正交的向量,代表不同世界的状态;
6)分解方法独特。 每一次完美的测量都会被记录下来,但每个世界的记录都是不同的。 这就是明确测量记录的解释。
多重世界的解释是有争议的,因为这个解释太奇怪了,奇怪到甚至有点荒唐,但却多少有说服力。
量子力学作为科学理论的源泉,也将成为越来越多重大高科技技术的孵化器。 与此同时,20世纪的哲学,特别是科学哲学,深入参与了对量子力学带来的科学现实的建构性和科学方法的复杂性的讨论。 一大批世界级科学哲学大师的普遍科学哲学都是建立在对量子力学的深刻理解和独特见解之上的。 如果说没有量子力学就没有现代科学哲学太过强烈的话,那么说没有量子力学哲学问题的讨论就没有20世纪一半科学哲学家的思想也是不公平的。将成为无源水。 一个可以被广泛接受的公平观点。