每個人都有自己最喜歡的技巧,可以可靠地完成某項工作,即使他們並不真正理解為什麼。以前,當影像變得模糊時,可能是因為拍打了電視機頂部。今天,它可能會關閉您的計算機然後再次打開。肖恩·卡羅爾Sean Carroll發表在最新一期權威期刊《自然》(Nature)的<為什麼 100 年後連物理學家都不明白量子理論>( Why even physicists still don’t understand quantum theory 100 years on) 量子力學描述了一種違反直覺的現實,其中觀察行為會影響被觀察的事物——但很少有人能就其意義達成一致。(Quantum mechanics depicts a counter-intuitive reality in which the act of observation influences what is observed — and few can agree on what that means.)。
量子力學是如何在一百年前的幾個月內誕生的
量子力學──現代物理學中最成功、最重要的理論──就是這樣的。它運行得非常出色,可以解釋從雷射和化學到希格斯玻色子和物質的穩定性等各種事物。但物理學家不知道原因。或者至少,如果我們中的一些人認為我們知道原因,那麼大多數人並不同意。
量子理論的獨特之處在於我們描述物理系統的方式與觀察它們時所看到的方式不同。因此,與先前的物理學框架不同,量子力學的教科書規則需要調用特殊過程來描述「測量」或「觀察」。作為一個領域,物理學對於為什麼會出現這種情況,甚至意味著什麼,並沒有共識。
物理學家馬克斯·普朗克和阿爾伯特·愛因斯坦分別於1900 年和1905 年發表了關於自然界量子行為的論文,首次揭示了它們的奧秘。它是離散的、粒子狀的塊狀物來最好地解釋,而不是像經典電磁學所描述的平滑波。但他們的想法不足以形成一個完整的理論。 1925 年,德國物理學家維爾納·海森堡首次提出了量子力學的完整版本。同年晚些時候,馬克斯·玻恩和帕斯誇爾·喬丹與海森堡一起對這一問題進行了跟進,而埃爾溫·薛定諤很快就獨立地提出了該理論。
因此,將 2025 年作為量子理論真正的百年誕辰來慶祝是公平的。儘管這樣的紀念活動可以正確地指出各種令人驚嘆的實驗成功,但它必須留出空間來承認那些仍未解答的基礎問題。量子力學是一座美麗的城堡,如果能確信它不是建在沙上就好了。
告別過去
自從艾薩克·牛頓在十七世紀創立經典力學以來,物理學理論就一直遵循著一定的模式。您正在考慮一個系統:可能是一顆圍繞恆星運行的行星,或是一個電場,或是一個氣體箱。在任何一個時間點,系統都由其「狀態」來描述,其中包括系統的當前配置和其變化率;對於一個沒有特徵的單一粒子來說,這相當於它的位置和速度(或者,動量)。然後,你就有了運動方程,它告訴我們系統在當前狀態下將如何發展。這個基本原則適用於從牛頓引力到愛因斯坦相對論的一切理論,而愛因斯坦相對論和量子理論一樣,都是二十世紀早期的產物。但隨著量子力學的出現,這個秘訣突然失效了。
古典範式的失敗可以歸因於一個單一的、具有挑釁性的概念:測量。自從有了科學家以來,測量思想和實踐的重要性就一直被科學家所承認。但在前量子理論中,這個基本概念被視為理所當然。無論一個理論假設了什麼物理實量,在特定情況下都會被認為具有某些特定的值。如果你願意的話,你可以去測量它們。如果您是一位馬虎的實驗者,您可能會出現嚴重的測量誤差,或在測量時幹擾系統,但這些並不是物理學本身不可避免的特徵。透過更努力,你可以按照自己希望的方式,對事物進行精細而精確的測量,至少就物理定律而言。
量子力學講述了一個截然不同的故事
量子力學講述了一個截然不同的故事。在古典物理學中,電子等粒子在任何給定時刻都有真實的、客觀的位置和動量,而在量子力學中,這些量在測量之前一般不以任何客觀的方式「存在」。位置和動量是可以觀察到的事物,但它們不是預先存在的事實。這是一個很大的區別。對這種情況最生動的詮釋是海森堡於 1927 年提出的不確定性原理,該原理指出,對於電子所處的任何狀態,我們都無法提前完美地預測其位置和動量。
相反,量子理論用波函數來描述系統的狀態,這是薛丁格於 1926 年提出的概念3,同時提出了描述系統隨時間變化的同名方程式。對於我們的單一電子,波函數是分配給我們可能觀察到的電子所處的每個位置的數字——換句話說,波可能主要集中在原子核附近或廣泛分佈在整個空間。
事情變得棘手的地方在於波函數和我們可能想要測量的可觀測量(例如位置和動量)之間的關係。這個答案是在薛丁格發表原始論文後不久由玻恩提出的。根據玻恩的解釋,我們永遠無法精確預測量子測量的結果。相反,我們可以透過計算該位置的波函數的平方來確定獲得電子位置的任何特定結果的機率。這個方案徹底顛覆了自牛頓時代以來一直占主導地位的確定性、鐘錶宇宙的理想。
新規則必須是通往更全面理論的墊腳石
回想起來,有些物理學家能夠如此快速地接受這種轉變真是令人印象深刻。有一些,但不是全部。愛因斯坦和薛丁格等傑出人物對新的量子共識並不滿意。並不是他們不理解,而是他們認為新規則必須是通往更全面理論的墊腳石。
不確定性的出現常常被描述為他們對量子理論的主要反對意見——用愛因斯坦令人難忘的一句話來說,「上帝不會與宇宙擲骰子」。但真正的擔憂更為深刻。愛因斯坦尤其關心局部性,即世界由存在於時空特定位置的事物組成,並與附近的事物直接相互作用。他也關注現實主義,即物理學中的概念映射到真實存在的世界特徵上,而不僅僅是計算的便利。
愛因斯坦為何在解釋量子現實方面失敗
愛因斯坦最尖銳的批評出現在 1935 年著名的 EPR 論文5中——以他和他的合著者鮑里斯·波多爾斯基和內森·羅森的名字命名——標題為“物理現實的量子力學描述可以被認為是完整的嗎?作者根據他們所強調的一個關鍵量子現象(即糾纏)給出了否定的答案。
如果我們有一個粒子,波函數就會為它可能擁有的每個位置分配一個數字。根據玻恩規則,觀察到該位置的機率是該數字的平方。但是如果我們有兩個粒子,我們就不會有兩個波函數;量子力學為雙粒子系統的每一種可能的同時配置給出了一個單一的數字。當我們考慮越來越大的系統時,它們繼續由單一波函數來描述,直到整個宇宙的波函數。
因此,觀察到一個粒子在某處的機率取決於我們觀察到另一個粒子在何處,無論它們相距多遠,這都是正確的。 EPR 分析表明,我們可能在地球上發現一個粒子,而在數光年之外的行星上發現另一個粒子,而我們對遙遠粒子測量結果的預測可能會「立即」受到我們對附近粒子測量結果的影響。
這些引號是為了提醒我們,根據狹義相對論,即使是「同時」的概念對於空間中相距很遠的點來說也沒有很好的定義,愛因斯坦比任何人都更了解這一點。糾纏似乎違反了狹義相對論的原理,因為它意味著訊息傳播的速度比光快——否則遙遠的粒子怎麼能「知道」我們剛剛進行了測量?
我們實際上無法利用糾纏來實現遠距離通訊。透過在這裡測量我們的量子粒子,我們現在知道了一些關於遠處觀察到的事物,但任何實際上距離很遠的人都無法獲得我們所掌握的知識,因此沒有發生任何交流。但是,量子理論對世界的描述和我們對愛因斯坦相對論中時空運作方式的認識之間至少存在著一定的矛盾。
回歸現實
解決這一緊張局勢的嘗試不斷增多,但尚未達成明確的共識。事實上,在我們所能想到的最核心問題上仍然存在著重大分歧:量子波函數是否應該代表現實,還是只是我們用來計算實驗結果機率的工具?這個問題從根本上引起了愛因斯坦和丹麥物理學家尼爾斯·玻爾數十年來關於量子力學意義的著名爭論。愛因斯坦和薛丁格一樣,是個徹底的現實主義者:他希望他的理論能描述我們可能認為是物理現實的東西。玻爾和海森堡都願意放棄對「真正發生」的事情的討論,而是專注於預測測量時會發生什麼。
多重世界理論的奇異邏輯
後一種觀點導致了對量子理論的「認識論」解釋。玻爾和海森堡的觀點被稱為哥本哈根詮釋,與當今物理學家在教科書中教授的內容非常接近。現代版本包括 QBism 6(「量子貝葉斯主義」的縮寫)和關係量子力學7。這兩種解釋都強調了量子態不應被視為獨立的,而應僅相對於觀察者、測量過程和該過程中知識狀態的變化來考慮。
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