量子力学的解释问题物理学家波恩，一定程度上与若干哲学问题相关。物理学与哲学都是探讨世界的本源，所以最早的物理学家也是伟大的哲学家。此外，几乎所有伟大的物理学家在晚年都转向哲学思考，温伯格的思想转变可以算作一个例子。
温伯格的困惑
这位著名的理论物理学家自 2016 年以来多次提到自己对量子力学的不满。除了 2016 年《全球科学》的文章[1]，还有他在 2017 年和 2018 年的演讲，以及今年 1 月 19 日为《纽约书评》撰写的文章。在这些公开场合，温伯格表达了自己作为一名资深物理学家对量子物理未来前景的困惑和担忧。
在量子力学的发展过程中，有许多物理学大师都提出过怀疑。最著名的是爱因斯坦。普朗克、德布罗意和薛定谔也都持怀疑态度。他们都是量子力学的著名奠基人：普朗克首先解决了黑体辐射问题；随后，爱因斯坦提出光量子来解释光电效应；随后，玻尔的原子模型、德布罗意的物质波和薛定谔的波动方程为量子论的建立奠定了重要的理论基础。
另一方面，绝大多数物理学家，甚至包括上述持怀疑态度的大师们，都认同量子理论对人类社会做出了杰出贡献。量子力学被认为是自然科学史上被实验证明的最精确的理论。它是我们理解原子、原子核、电磁学、半导体、超导等微观现象的理论基础。
那么，量子理论到底出了什么问题？既然它已经取得了巨大的成功，其应用在高科技产品中随处可见，为什么它仍然饱受争议和争议？原来，人们对量子理论的分歧，并非在于计算结果，而在于不同的解释。如果我们忽略这一点，只要遵循一个原则：“闭嘴，认真计算！”那么一切都会好起来。各个流派的物理学家都可以学会以程序化的方式，运用抽象而复杂的数学方法，研究和计算各种微观系统，并给出精确的结果。例如，量子力学对某些原子性质的理论预测，已经被实验验证，精度为 108 分之一！
理解量子理论的诠释是一个过程。温伯格说，他过去也认为量子力学和大多数物理学家一样，只是实用的，没有必要深入探究其基本概念和含义。但近年来，他对量子力学的种种诠释越来越不满，呼吁物理学家寻找新的理论来解释量子力学中长期存在的问题。从这个意义上说，温伯格明显站在了爱因斯坦和薛定谔一边！
让温伯格困惑不已的问题之一是概率。
决定论面临破产
量子力学与经典力学的区别可以用它们对粒子（比如电子）运动的描述来解释。在牛顿力学中，粒子是用“运动轨迹”来描述的。所谓轨迹，就是一条“曲线”，展示粒子在空间位置随时间变化的情况。经典粒子在某一时刻出现在空间的某一点，这些点连起来就形成一条线，这条线就是粒子的轨迹。在量子力学中物理资源网，电子表现出“波粒二象性”，量子力学用波函数来描述（一个）电子的运动。波函数在空间的每一点都有相同的值，类似于弥漫整个海洋的水分子密度。这就提出了一个问题：一个电子怎么可能同时出现在空间的每一点呢？
为了回答上述问题，物理学家们一般把波函数解释为概率波。对此，我们又回到温伯格的困惑。关于概率波，他有一段话引人深思：
概率融入物理学让物理学家们苦不堪言，但量子力学真正的难点并不在于概率，而是这个概率从何而来？量子力学中描述波函数演化的薛定谔方程是一个确定性的波动方程，本身不涉及概率，甚至不会产生经典力学中对初始条件极其敏感的“混沌”现象。那么，量子力学中体现不确定性的概率从何而来？
温伯格的问题看似数学问题，其实数学上没有问题。薛定谔方程是线性的，如果用坐标表示，在一定的初值和边界条件下，它的解（波函数）是空间和时间的确定函数，不会产生混沌，也不涉及任何概率。问题来自于如何解释这个弥漫于整个空间的“波函数”？如何将它和电子的运动联系起来？波函数所代表的物理图像不可能是电子电荷在空间的密度分布。我们怎么能想象一个在经典理论中被视为“点”粒子的“实心球”在量子力学中会变成遍布整个空间的东西？就连提出这一解释的薛定谔本人也无法接受这种说法。
经过反复推敲和比较，玻恩的概率解释更为可靠，因而被大多数物理学家所接受。玻恩认为，波函数是概率波，其模的平方表示粒子出现在该位置的概率密度。
也就是说，利用概率诠释，人们似乎仍然可以把电子想象成一个类似的经典小球（这让我们稍感安慰），只是我们不能确定这个小球在空间中的位置，而只能确定它出现在某一点的概率！
（来源：）
于是，人们不再思考波函数，而是开始思考概率。什么是概率？当然，我们先从“概率”的经典定义开始思考。概率给世界带来了不确定性，它可以被定义为对事物不确定性的描述。
但在经典物理学的框架下，不确定性来自于我们知识的匮乏，因为我们没有足够的信息，或者说没有必要知道那么多。比如，当一个人把一枚硬币向上抛，并接在手中时物理学家波恩，硬币飞出的方向似乎是随机的，可能是向上，也可能是向下。但从经典力学的角度来看，这种随机性是因为硬币的运动不易控制，所以我们并不知道（或者说不想知道）硬币飞出我们手中时的详细信息。如果我们知道硬币飞出时每一点的受力情况，再解宏观力学方程，我们完全可以预测它落下时的方向。也就是说，经典物理学认为，不确定性的背后，存在着一些尚未被发现的“隐变量”，一旦发现，任何随机性都可以避免。也就是说，隐变量是经典物理学中概率的来源。
那么，量子物理中波函数所导致的概率，是否也是由更深层次的“隐变量”产生的呢？
这个问题把物理学家们分成了两大派：一派是以爱因斯坦为首的“隐变量”派，他们认为“上帝不掷骰子！”一定有某种隐藏在更深层次的隐变量在起作用，使得微观世界呈现出不确定性。另一派是以玻尔为首的“哥本哈根学派”，他们认为不确定性是微观世界的本质，不存在更深层次的隐变量！正是这种分歧导致了爱因斯坦和玻尔之间的“世纪之争”。
1935年，爱因斯坦与两位同事针对他认为最难以理解的量子纠缠现象，提出了著名的EPR佯谬[2]，试图挑战哥本哈根诠释，希望找到隐藏在量子系统中的“隐变量”。
爱因斯坦对量子力学的质疑主要体现在三个方面：确定性、实在性和局域性。三者都与“概率的来源”有关。如今，爱因斯坦的EPR文章发表已80多年。特别是在约翰·贝尔提出贝尔定理之后，爱因斯坦的EPR悖论有了明确的实验检验方法。然而遗憾的是，很多实验的结果并没有站在爱因斯坦一边，不支持德布罗意-玻姆理论的“隐变量”观点。相反，实验的结论是：不存在隐变量，不确定性才是世界的本质。
量子力学的创始人之一海森堡提出了微观世界的不确定性原理。该原理指出，一个粒子的位置和动量不能同时确定。位置的不确定性越小，动量的不确定性越大，反之亦然。不确定性原理已经被无数实验证实。它是微观粒子固有的量子属性，反映了世界的不确定性。
世界本质上是不确定的，这个结论让拉普拉斯宣布确定性成了笑话。其实，如果我们仔细想想，非确定性更容易理解。想象一下，有一天，一位科学家在一场意外车祸中丧生。这是事先（在他出生时）就确定的结果吗？当然不是！除了量子理论揭示了世界的本质是非确定性的，非线性引起的混沌理论研究也支持非确定性。混沌理论解释，即使是确定性系统也可能产生随机的、非确定性的结果！
承认非确定性并不难，但进一步解释它却很难。波函数的概率解释在理论上引发了对概率本质的思考。量子力学中的实验测量也让物理学家感到困惑。微观世界是不确定的，宏观现象都是确定的。如何从不确定的微观世界过渡到确定的宏观世界？量子力学认为，微观世界中粒子的状态是“叠加态”，是概率性的叠加态。但实验无法测量叠加态，只能得到某个值的“本征态”。这里的一个解释就是所谓的“波函数坍缩”，即“叠加态的波函数以一定的概率坍缩为本征态的波函数”。
那么测量为何会导致波函数坍缩？测量又是什么？敬请关注下周推送。
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参考
[1] 《与，，《书籍》，2017年第19期
//2017/01/19/-与--/
[2]，A.；，B.；Rosen，N.（1935 年）。“可以吗？”。47 (10):777–780。
赛先生
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