多世界解释:量子力学诠释中的一支奇葩金沙澳

2019-10-20 作者:产品测评   |   浏览(194)

“测量难题与量子力学诠释”是科学哲学长久且不断翻新的话题。20世纪初,量子力学的发现引发物理学革命,“测量难题与量子力学诠释问题”伴随着这场革命应运而生。

量子力学的实在论可以从四个方面考察:一是围绕量子力学理论实在性的争论;二是量子力学形式体系的实在性;三是量子力学所描述的世界特性;四是量子力学对实在论理论的推进与发展。

问题之根本

对量子力学是否具有实在性的争论主要发生在量子力学理论诞生之初,尤以爱因斯坦与玻尔的争论最令人称道。最初的争论围绕量子理论是否存在逻辑矛盾即理论的恰当性展开。爱因斯坦用建立在经典物理学基础上的决定论的实在论标准来衡量量子力学,从而无法接受量子力学中几率的基础性地位,认为“上帝是不掷骰子的”,量子力学描述的是许多全同系统的一个系综的行为。前期的争论正如历史所表明的那样,玻尔所代表的量子理论胜出,爱因斯坦不得不转而攻击量子力学的完备性。以著名的EPR论文为标志,爱因斯坦在完备性条件和实在性判据的基础上论证了量子力学的描述不完备。然而,实际上,EPR论文中隐含的定域性假设日后却成为探索量子力学非定域性的开端。沿此线索,在贝尔、卡诚和斯佩克、牟民等人的工作下,量子非定域性已被认为是量子力学的标志性特征之一。

根据量子力学标准体系,量子系统遵循两种不同演化方式。在非测量状态下,按照薛定谔方程演化,是熵不变、决定论和连续性的;在测量状态下,量子系统发生突变,是熵增加、非决定论和突变性的。第二种演化使“测量”成为微观世界中难以理解而又神秘的物理现象,导致众所周知的“测量难题”。

量子力学形式体系指冯·诺意曼所建立的公理化体系。该体系在物理学的计算与预言中被证明是有效并且无歧义的,然而,对其基本概念及意义的解读却形成了诸多不同的量子力学解释体系。其中影响最大的是以玻尔为代表的哥本哈根解释,其核心是互补性原理,即在时空标示与因果要求之间、量子语言与经典语言之间的互补性。哥本哈根解释认为理论是对实在的真实描述,量子理论中的概率与非决定论是自然本身的特征,承认测量结果的实在性,把原子客体特定动力学赋值的真值条件引向具体的实验装置或真实的实验结果,以此回避对最终实体的追问;用经典语言来描述测量仪器,通过被测量客体与测量仪器间不可分离的整体论来避免量子测量问题。哥本哈根解释并不是一组单纯的、清晰的、有着无歧义定义的观念,然而,除了反对波函数的实在性外,对于量子力学,该解释的持有者大体上是本体论上的非实在论者,认识论与语义学上的实在论者,或者说是测量实在论者。

事实上,测量难题还包括更多内容。一是测量结果难题:为什么微观世界的测量结果是统计性、不确定的?这个难题源于波函数叠加原理和1926年的几率诠释,薛定谔形象地将它描述成“薛定谔猫论”,即“猫既死又活着”。爱因斯坦对这种结果非常不满,说“上帝不会掷骰子”。二是同时性测量难题:为什么不对应的两个量不能被同时精确测量,而且一个量越精确另一个量越不精确?这个难题源于1927年的测不准原理(也有人称不确定性原理)。三是测量过程难题:为什么多个叠加态在测量瞬间突变成某一确定态,从而导致系统演化上的间断性和逻辑推理的跳跃性?这个难题源于1932年冯·诺依曼的五大公理,又称之为“投影假设”或“波包塌缩”。四是定域性难题:该难题发端于1935年的EPR佯谬,要么量子力学是非定域的,要么是不完备的,到底什么样正等待贝尔实验的验证。

德布罗意—玻姆理论被公认为是一种量子力学的本体论解释,也称为隐变量解释。其最早版本是1927年德布罗意的导波理论,1952年由玻姆再度提出。他们认为,波函数只对粒子系统提供了部分描述,需要用对粒子真实位置的描述作为补充,后者的演化满足导波方程,从而粒子能够以决定论的方式运动,这构成了量子力学的因果解释。德布罗意—玻姆理论的持有者追求决定论与因果性,追求明确的粒子本体,因而试图成为经典物理学观念下在本体论、认识论和语义学上的实在论者,而标准的量子力学体系需要补充才能够提供对实在的完备描述,故其在认识论与语义学上的实在性是不完备的。

科学家和哲学家以“测量难题”为核心,对传统物理学的认识论基础作了根本性修正,对决定论、因果论和实在论等问题进行了深刻辨析,这一系列问题构成了所谓的“量子力学诠释难题”。通常认为,“测量难题是量子力学诠释的核心困难”。科学家和科学哲学家围绕“测量难题与量子力学诠释”展开了旷日持久的争论。埃里则(A.ELITZUR)2005年就指出先后有哥本哈根解释、标准体系、正统解释、隐变量理论、模态解释等,比较有影响的量子力学解释至少有13种之多。

另一种影响较大的量子力学本体论解释是多世界解释,该解释把包括观察者在内的整个宇宙作为量子系统来处理,认为存在许多平行的世界,每个世界都由宇宙波函数决定性地描述,不存在态的塌缩,而只是宇宙连续分裂成许多互相不可见、却同样真实的世界。在假设多宇宙的实在性之外,该解释认为量子力学在本体论、认识论和语义学上均是彻底的实在论。

多世界解释的哲学魅力

尽管在解释上存在许多争议,绝大多数物理学家和哲学家都承认量子力学的实在论地位,把量子力学理论所揭示的世界图景归为以下几个方面:第一,波函数是对量子系统的完备描述(对于波函数实在与否则意见不同),具有线性叠加性的波函数满足决定论演化的薛定谔方程,波函数的平方给出物理量可能取值中的某一个的概率,从而对系统的认识只能是统计性质的。第二,量子测量中波函数的塌缩是随机的,测量只能随机地得到其可能取值中的某一个,从而是非决定论的。第三,不确定关系告诉我们,对非对易物理量同时的精确取值是不可能的,即互补性在经典力学中是需要的。第四,量子系统的远程关联是瞬时的,超越了爱因斯坦EPR论文中预设的经典物理学所满足的定域性条件。

多世界解释作为其中之一,具有其他解释没有的哲学魅力。多世界解释坚持了整体论,扬弃了还原论。多世界解释消解了本体实在在空间结构上的机械分割,把整个宇宙视为“整体”,“说子系统的独立态是毫无意义的”;消解了观察者与客体系统之间的划分,观察不是发生于孤立系统之外的一个新的过程,而是系统内部相互作用的特殊情形;认为波动力学既能描述每一个孤立系统,也能描述每一个被观察的系统,建构了数学形式体系与观察经验之间的某种一致性。多世界解释的整体论,坚持无误理论的预设是解决物理实际问题的需要,这恰恰反映出当代科学发展的趋势。

量子力学变革了经典力学的实在观,进而推进了实在论理论的发展。首先,“实在”的域面在量子力学中得到了扩展,如作为量子实在的自旋并没有经典的对应物,“实在”概念需要超越之前的实体实在论范畴而重新界定。其次,经典物理学基础上的实在论是一种严格的决定论,而量子力学告诉我们,统计的、概率的、非严格决定论的规律也是实在的,实在论不等同于决定论。最后,量子力学解释体系对量子测量问题的求解不可避免地要借助于测量仪器,或观察者,或外部环境,或整个宇宙,事实上,这些都是测量语境的实在要素,在真实的测量中共同发挥作用,这要求我们提出一种新的整体论的、语境论的实在论,即测量构成了特定的语境,测量语境、语境要素及要素间的相互作用都是实在的,测量语境的边界和语境要素作用的发挥均因具体的测量而异。

多世界解释坚持了决定论,扬弃了非决定论。根据多世界解释,态函数始终都按照薛定谔方程线性和决定论演化;测量过程不存在从“可能”到“实际”的转变,最后结果依然是各种“可能”的叠加,而不是某一种“可能”,从而消除了突变论;多世界解释进一步证明了玻恩概率是形式体系本身的一个结论,无需给概率以先验解释,从而消除了概率论。需要强调的是,多世界解释坚持了决定论,扬弃了非决定论,并没有恢复严格决定论,因为测不准原理和玻恩概率作为量子力学基本属性是无法或缺的。

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