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关于量子理论诠释的最后几点意见

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......

关于量子理论诠释的最后几点意见

我们在前面强调过,量子理论诠释肯定受制于已知量子事实,而且应该至少会与量子理论数学保持一致。然而,正如我们已经看到的,量子事实本身就相当奇怪,而量子理论数学与常识性的现实也不一致。在很大程度上说,正是由于这些原因,所有量子理论解释通常都与常识相当矛盾。唯一例外的是爱因斯坦的诠释,但是在前面我们也提到过了,这个诠释已经站不住脚了。

我们必须看到,对于诠释问题,秉持工具主义态度是很常见的。也就是说,如果你用工具主义态度来对待量子理论,那就不会与诠释问题遭遇。从工具主义角度来看,量子理论是一个便于做出预言的工具,就像托勒密的周转圆被当作是一个便于做出预言的数学工具。但是,如果面对的问题是理论背后的现实,那么工具主义者将会采取不可知主义态度。同样地,这也是一种看待量子理论的值得尊重的态度。确实,关于这个态度有很多值得讨论之处,而且这也是物理学家进行研究时,至少是在他们的工作时间内,可采用的最为实用的态度。

但是,对我们这些不是物理学家的人来说,甚至是对结束了一天的工作、离开实验室后的物理学家来说,有一个问题自古希腊时期就在西方思想中占据一席之地,让人难以拒绝,那就是:我们究竟生活在怎样的宇宙中?这个问题的答案一直为每个时代的尖端科学所左右,量子理论当然是我们的历史上最重要和最成功的理论之一。因此,量子理论自然会影响我们目前如何认识自己所处的宇宙。然而,值得注意的是,当前的量子理论诠释所展示的宇宙,与我们一直所认为的宇宙相比,是相当不同的。

标准诠释的各个版本、玻姆诠释和多世界诠释都有一些吸引人的方面,也都有一些方面不那么吸引人,因此,我们很有必要花些时间来对每种诠释的优势与劣势进行总结。

我们在前面看到了,标准诠释的优势是,它是一个极简主义者的诠释,也就是说,这种诠释与我们在本章前面部分所讨论的标准数学相当接近,而且看起来也相当一致。比如,如果数学指出,在某个特定环境下,某粒电子并没有确定的位置,那么情况就是这样,我们只需要接受“宇宙并不是由具有确定属性的实体所组成的”这一观点。

然而,正如我们所看到的,在通常量子理论数学所展示的情境里,标准诠释的支持者确实加入了波函数的坍缩。坍缩据推测出现在测量发生的时候,这使标准诠释的支持者面对与测量问题相关的难题时无法给出很好的答案。测量时到底发生了什么?由于测量过程只是一个物理过程,与我们不算作测量的过程相比,并不是不同类型的过程,那么测量过程和非测量过程之间怎么可能存在任何真正的差异?同样地,如果所有物体都由量子实体组成,那么测量设备与其所测量的量子系统之间怎么可能存在真正的差异?这些问题都是测量问题的变形,或者换个更好的说法,它们是从不同侧面来看待测量问题。波函数的坍缩给标准诠释的支持者提出了难题,而这些支持者也确实无法很好地回答这些问题。

相比之下,玻姆诠释避免了测量问题,这是其值得注意的优势。根据玻姆诠释,不存在波函数的坍缩,因此这一诠释的支持者也就不需要面对前面提到的难题。根据玻姆诠释,测量设备与其所测量的量子系统之间不存在根本性差异,神秘的波函数坍缩不存在,测量问题也不存在。

然而,人们广泛认为玻姆诠释无法很好地与爱因斯坦相对论保持一致。爱因斯坦相对论是现代物理学的核心分支,这可能就是玻姆诠释的一个严重缺陷。因此,玻姆诠释尽管有优势,但也有明显缺陷。

多世界诠释同样因为避免了测量问题而具有巨大优势。在这里,同样不存在波函数的坍缩,因此也就没有伴随坍缩而来的各种难题。除此之外,这种诠释是一个真正的极简主义者诠释。也就是说,表面看起来,这种诠释接受了本章前面所讨论的标准数学所表达的情境。如果量子理论数学表明,涉及量子实体的系统处于态叠加状态,那就是这样吧。你、我和我们周围的所有物体只是其中一个态的组成部分,无数个这样的态组成了复杂的态叠加,把一切事物都纳入其中。这是数学所展示的,多世界诠释的支持者就这样按字面意思来接受了。

然而,多世界诠释的优势也是其劣势,因为这个诠释很有可能是所有诠释中最反直觉的一个。很难想象现实会像多世界诠释所展示的那样不同,也就是现实是由无数个与你、我和我们周围所有物体相对应的存在所组成的。同样困难的是想象组成现实的并不是我们所处的这个单一确定的世界,而是无数个态形成的态叠加,而我们所处的世界只是其中一个态。因此,简言之,与其他诠释一样,多世界诠释也是既有优点也有缺陷。

也许,此时我们可以更好地理解为什么用工具主义态度来看待量子理论如此普遍。让我们花一点时间来回顾一下我们在本书前面章节中讨论过的某些理论。在西方历史(也就是有记载的历史)的大部分时间里,托勒密理论是解释天文学数据最好的理论。然而,正如我们看到的,这个理论需要周转圆。很难想象行星如何真的沿那么小的一个圆圈进行运动,也就是说,很难用现实主义态度来看待周转圆。由于认为行星真的按托勒密体系所描述的轨迹运动是非常困难的,天文学家们通常都采用工具主义态度来看待托勒密体系中的周转圆。

至于开普勒关于行星运动的观点,也就是行星沿椭圆形轨道以变化的速度运行的观点,用现实主义态度来对待这个观点所展现的行星运动是很容易的(过去和现在都是如此)。但是这个关于行星运动的观点只表明行星是这样运动的,但并没有更完整地解释为什么行星会这样运动。牛顿物理学似乎对行星运动进行了解释:椭圆形轨道是根据惯性定律和万有引力定律得出的。

然而,正如我们在第20章结尾所看到的,如果用现实主义态度,那么牛顿的万有引力概念似乎涉及一个神秘的“超距作用”。同样地,很难想象怎么可能真的存在这样神秘的“超自然”力量。同时,我们在第20章结尾还看到了,从很大程度上说正是基于这些原因,牛顿本人更倾向于用工具主义态度来看待重力。(重申一下,从小到大都接受牛顿世界观教育的人通常用现实主义态度来对待重力,但这非常有可能是因为他们从小就接受了重力概念,因此通常不会察觉到重力的某些奇特之处。)

在这一章中,我们看到了量子理论同样不能与常识性的现实保持一致。因此,通常用工具主义来看待量子理论,而这其实只是延续了一个已经长期存在的倾向,也就是在看待那些无法得出完备的现实主义诠释的理论时,通常采用工具主义态度。

但是,如果我们确实想思考现实问题,也就是我们所感兴趣的是搞清自己身处什么样的世界,那么值得注意的是,每个现有的诠释都有某些方面不那么有说服力。正如在这一小节开头提到的,不仅仅对哪个诠释是正确的(如果真的有一个是正确的)不存在共识,甚至关于哪个诠释更可取都没有共识。你更喜欢哪个诠释,通常说到底基本上是个审美问题,也就是什么样的古怪特性更得你心,或者,也许更准确地说,什么样的古怪特性让你觉得最不成问题。

|结语|

不可否认,这是很长的一章。但是,对于像量子理论这样如此复杂的话题,这很正常。回到我们开始这一章时提到的,重点是要把量子事实、量子理论数学和量子理论诠释之间的区别始终印在脑中。

本章主要的几节对这几个话题依次进行了探讨。在探讨过程中,我们看到了,量子事实是令人惊讶的,但是对于量子事实是什么不存在争议。量子理论数学是波数学的一个变形,而且在物理学中并不少见。

最有争议和难以理解的命题围绕诠释问题出现,也就是什么样的现实与已知事实相一致的问题,以及什么样的事实与量子理论数学(或者,在玻姆诠释的例子里,与标准量子理论数学的一个替代选项)相一致的问题。正如我们看到的,通常的诠释(除了爱因斯坦的诠释,不过这个诠释已经站不住脚了)所展示的现实,没有一个与我们在过去2500年里已有的现实有任何相似之处。

在下一章中,我们将研究某些新近发现的经验事实,这些事实对现实问题产生了额外的意义。具体来说,这些事实澄清了什么样的诠释是可行的选择。我们将看到,新的经验事实并没有让情况变得不那么古怪,但确实有助于我们分辨出古怪之处在哪里。

[1] 关于实验设置的更多内容可参见托马斯·杨(1807)中的“双缝实验”(又称“杨氏双缝干涉实验”)。

量子理论 / 经验事实

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