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标准诠释(哥本哈根诠释)的变形

2020年7月18日  来源:世界观:现代人必须要懂的科学哲学和科学史 作者:(美)理查德·德威特 提供人:heidong86......

标准诠释(哥本哈根诠释)的变形

与隐变量诠释不同,各种标准诠释的支持者都认为量子理论是一个完整的理论,不需要“隐变量”,也不需要增加其他内容。然而事实上,即使是这些支持者,也在前面所描述的数学基础上加入了至少一个因素。总的来说,这些支持者所加入的因素就是通常所说的投影假设。投影假设控制的是通常所说的波函数的坍缩或衰减。这其中的关键点是,在测量之前,量子实体都被表达为处于态叠加的状态中。举个例子,在测量之前,前述实验中释放的光子由一个波函数所表达,而这个波函数本身是由一个态叠加的状态组成的。然而,在测量时,叠加的两个状态坍缩成了一个新的状态,由一个新的波函数来表达。这个坍缩在数学上就遵循投影假设,结果就是前面提到的新的波函数。在这个例子中,这个新的波函数所表达的要么是探测器A探测到的一粒电子,要么是探测器B探测到的一粒电子。因此,直到新的测量发生之前,这个新的波函数都遵循薛定谔方程式进行演变。

毫无疑问,前面所描述的数学,以及波函数的坍缩或者投影假设,与我们的观察结果非常一致。也就是说,量子理论所做出的预言是毋庸置疑的,而且在过去70年间一直如此。然而,如果我们试图展示到底发生了什么,波函数的坍缩当然是很难展示的。

假设我们向标准诠释的支持者提问,“到底发生了什么”。举个例子,在图25-15所示的实验中,就在测量发生之前的时刻,电子真正的位置在哪里?就在测量即将发生之时,电子真的是存在于两个通道里的波吗?就在测量发生之时,这两列波之中的一列就会同时消失吗?

标准诠释的支持者通常认为像这样的问题是没有答案的。比如,我们说不出测量之前电子真正所在之处。如果你的问题是关于电子的其他属性,比如电子的动量、自旋等,情况同样如此。总的来说,我们说不出电子在测量发生之前具备什么样的属性。

重点同时也是理解我们在这里所讨论内容的一个关键点就是,根据标准诠释,我们之所以说不出电子在测量之前具有什么样的属性,并不仅仅是因为我们不知道这些属性。事实上,我们说不出这些属性,是因为这些属性在测量之前并不存在。也就是说,并没有哪个物体的属性是在对这个属性进行测量之前就确定存在的,因此也就不存在相关的事实。

这是一个非常反直觉的观点,因此值得花点时间来澄清一下。假设我告诉你我口袋里有一些硬币。设想你并不知道具体有多少个硬币,但是我相信你已经确信我口袋里有一定数量的硬币。可能是两个、三个或八个,不过不管实际有几个,你无疑都相信关于我口袋里有多少硬币,存在一个确定、独立的事实。

这就是日常生活中信息缺失的一个例子。你说不出我口袋中有多少硬币,因为你完全不知道有多少。这并不是标准诠释中所涉及的那种信息缺失。根据标准诠释,不存在需要了解的信息。在测量之前,电子没有确定的位置,也没有确定的自旋,等等。

标准诠释的支持者并不是否认现实的存在。也就是说,存在一个现实,存在量子实体,有一粒电子就在“那里”。然而,那粒电子,以及其他量子实体,在被测量之前,并不具有确定的属性。

(为准确起见,我必须指出,每个人,包括标准诠释的支持者,都认为量子实体具有少量不受测量影响的属性。这些属性,比如质量,通常都被称为“静态属性”。然而,根据标准诠释,除了这样少数几个静态属性,量子实体的其余属性在测量之前都不存在。)

简言之,尽管存在一个现实,但组成这个现实的并不是在测量之前就具有某些确定属性的量子实体。前面硬币的例子说明了日常生活中的信息缺失,与此相比,标准诠释支持者所描述的信息缺失则更为严重。

在这个对标准诠释的概述性描述中,存在几个可能的变量。我们已经注意到,根据标准诠释,量子实体在测量发生之前不具有属性。然而,关于以下两个问题,我们却几乎没有涉及,那就是:①什么算是量子实体?②什么算是测量?让我们花点时间来思考一下这两个问题。

关于什么算是量子实体,到目前为止,我们举过的例子包括电子、光子、放射衰变释放出的粒子,以及与此类似的东西。大家都认为这些是量子实体。

但是,只有这些基础性粒子才是量子实体吗?请记住,可以说所有物体都是由这些基本实体构成的,别无他物。因此,完全可以说“量子实体”所指的实际上应该是一切物体。也就是说,所有物体都应该被当作是量子实体。无论如何,请注意,对“什么算是量子实体”的问题,答案既不简单也非没有争议,而且这个问题并不只有一个合理答案。

关于什么算是测量,情况是相似的。这是一个具有重要意义的问题,特别是对标准诠释的支持者来说。请注意,根据标准诠释,波函数的坍缩会在测量发生时出现。然而,什么算是测量?这个问题有很多种答案,要理解这一点,可以思考一下薛定谔的猫的实验。第一个可以算作是测量的事件是什么时候发生的?是发生在当一粒电子出现、两个探测器中的一个进入到与此相关的物理作用中时吗?一开始,你可能倾向于说那就是第一个测量。然而,不要忘了,与那些探测器相关的过程只是物理过程,与盒子里发生的其他物理过程一样,都是物理过程。举个例子,光子与分束器之间有物理作用,但是我们通常不把这个物理作用算作测量。然而,当光子与我们所说的“探测器”发生相互作用时,这其中的物理过程跟光子与分束器之间的物理过程相比,并没有什么特别不同之处。因此,为什么光子与探测器之间的相互作用应该算作测量,答案一点都不明朗。换句话说,那些光子探测器本身似乎并没有什么特别之处,那么,为什么它们可以导致波函数的坍缩?探测器所经历的过程恰好对你我来说特别有趣,因为我们很可能对是否有一粒光子存在的问题很感兴趣,然而除了对像我们这样的观察者来说有吸引力,那些探测器并不存在什么特别之处。因此,光子探测器是否应该被视为首个测量设备,答案也还远未清晰。

那么猫的听觉系统又如何呢?也许不管是探测器A还是探测器B发出了“哔”声,猫都听到了这个声音,而且也许猫对“哔”声的这种感知算作首次测量。另一方面,导致猫感知到“哔”声的物理作用与盒子里发生的其他上百万个(可能更多)物理作用并没有什么原则性区别。因此,同样地,为什么这些特定的相互作用算作“测量”而其他的不算?也许,这些相互作用不应该被算作测量。盒子里也许其实是下面这个听起来有些古怪的情形,也就是猫本身处于态叠加的状态中,其中一个态是听到探测器A发出的“哔”声,另一个态是听到探测器B发出的“哔”声,很快这个态叠加就变成了另一个态叠加,其中一个态是死猫,另一个态是活猫。

最后,当我们打开盒子、看探测器读数并检查猫的生死时,是否才发生了首次测量?我们凭直觉倾向于认为波函数此时肯定已经坍缩了,因为我们并没有看到处于生死叠加中的猫(然而,后面我们会看到,并不是所有对量子理论的诠释都认同这一点)。不过,坍缩是否仅发生在这个时刻?人类的意识是否是关键的测量?

总的来说,对于“什么算是量子实体”和“什么算是测量”,并不存在唯一且毫无争议的答案。根据如何回答这些问题,你可以得到标准诠释的不同版本。由于所有标准诠释的变形版本都认为从某种意义上说,现实依赖于测量,我将用“现实依赖于测量”来命名这些变形版本,并把它们分为温和、适度和激进三个等级。接下来,我们将开始对标准诠释或者说哥本哈根诠释的这些变形进行讨论。

现实依赖于测量的温和派观点根据这个温和派版本,“量子实体”指的只是最基本的粒子,比如电子、中子、质子、种类众多的亚原子粒子、光子和放射衰减过程中释放的粒子,等等。也就是说,能算作量子实体的只有宇宙最基本的“物质”,而且只有这个最基本层面在测量发生之前不存在确定的属性。

这里,让我再重复一下前面的这一点。这个版本以及其他版本的支持者并不是说在测量之前什么都不存在,然后测量使现实从无到有。事实上,他们的观点是,存在一个独立于测量的现实,然而,考虑到宇宙最基本的组成部分,这个现实在很大程度上是不确定的现实。回到我口袋里硬币的例子,这就好比说,对,我的口袋里有硬币,但是硬币数量并不确定,硬币的形状和大小也不确定。也就是说,存在一个由硬币组成的现实,但是这个现实不具备任何确定的属性。

把这个类比运用到量子层面,“现实依赖于测量”的温和派支持者认为,存在一个由电子、光子等类似物质组成的现实,但是这个现实从很大程度上说是一个不确定的现实。电子既不在这里也不在那里,也不在任何地方,它们既没有这种自旋也没有那种自旋,等等,这种状态会一直持续到关于这些属性的测量发生之时。只有在测量时,这些实体才能获得确定的属性。

至于“什么算是测量设备”,这个变形版本给出的答案非常宽泛。举个例子,在薛定谔的猫的情境中,测量设备包括光子探测器、猫的听觉系统和我们打开盒子观察探测器及猫的行为。

至于薛定谔的猫的例子,请注意,根据这个变形版本的解释,首次测量发生在光子抵达探测器的时候。这使波函数发生了坍缩,探测器A和探测器B之中有一个探测到了光子。基于这种情况,毒药瓶要么被打开,要么没有打开。因此,根据这个诠释,猫绝不可能处于生死叠加的情况中。

简言之,根据“现实依赖于测量”的温和派诠释,只有基本粒子,比如电子、光子和放射衰减过程中释放出的粒子,等等,可以处于态叠加状态。而且几乎任何一种测量都足以使波函数坍缩。粗略地说,仍存在大量有关量子的古怪之处,但是这些古怪之处仅存在于微观层面。

现实依赖于测量的适度派观点前面所讨论的“现实依赖于测量”温和派认为只有基本粒子才算是量子实体。然而,大概所有物体都是由这样的粒子所组成的。比如,你面前桌子上的咖啡杯实际上只是由这些基本实体组成。如果咖啡杯只是由量子实体所组成,那么完全可以说咖啡杯本身同样应该算作是量子实体,尽管与基本粒子相比,它更大也更为复杂。

如果我们宽泛地回答“什么算是量子实体”,也就是说,我们把所有物体都算作量子实体,那么几乎任何物体原则上都可以处于态叠加的状态。因此,根据这个诠释,量子的某些古怪之处就上升到了宏观层面。

然而,对“什么算是测量”的问题,“现实依赖于测量”的适度派诠释采取了一种宽泛的态度,这与“现实依赖于测量”的温和派诠释相同。因此,尽管几乎任何物体原则上都可以处于态叠加的状态,但测量通常足以使这样的态叠加早在我们或任意其他生物有所体会之前就产生坍缩。让我们把薛定谔的猫作为一个实际的例子,根据这个诠释,光子探测器和猫都被算作是量子实体,因此原则上可以处于态叠加的状态。然而,考虑到这个流派对“什么算是测量”问题所持的宽泛态度,光子探测器足以在猫生死叠加的状态出现之前就使波函数坍缩。因此,尽管宏观世界里的物体,比如你、我、猫等,原则上都可以处于态叠加的状态,但实际上,波函数会在我们体会到这样一种态叠加状态之前就发生坍缩。

现实依赖于测量的激进派观点(现实依赖于意识)假设为与前面提到的温和派观点保持一致,对“什么算是量子实体”的问题,我们采取一种宽泛态度,也就是任何物体都算量子实体。然而,假设对“什么算是测量”的问题,我们则采取了一种不那么宽泛的态度。具体来说,假设我们认为只有人类的意识才算是真正的测量。举个例子,在薛定谔的猫的情境中,只有当我们打开盒子、检查探测器和猫的时候,第一次测量才发生。

这是一个更为激进的版本,因为在这个诠释中,只有出现了人类的观察,波函数才发生坍缩。因此,任何情境在未经观察时都处于态叠加的状态,比如,猫可以处于生死叠加的状态,等等。简言之,整个世界在未经人类观察时,并不是由确定的状态组成的。未经观察的物体并不是确定地位于某个特定位置,等等。

为什么会有人选择这种激进的态度来看待世界?促使他们这么做的因素是什么?其实这背后真正的问题是——“什么算是测量?”让我们再思考一下薛定谔的猫的情境。正如在前面讨论过的,在我们所认为的测量设备上发生的物理过程同其他物理过程相比,似乎类型都是相同的。因此,要理解这样一个过程如何可以使波函数坍缩是非常困难的。如果你认为人类意识与其他过程的类型不同,而且对此比较深信不疑,那么在一系列连续发生的事件中,也就是从一粒光子的释放,到我们打开盒子并检查里面的东西,由人类意识进行的观察确实是唯一一个与其他事件不同类型的事件。因此,这里自然就是波函数发生坍缩的时点,或者至少对某些这种诠释的支持者来说,似乎如此。

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