量子力学的多种注释 -

每个物理学家都会同意，上个世纪最伟大的范式转变是量子。量子力学改变了科学的面貌。它可以解释一切！但是，今天我们不会讲到这个。相反，我们将讨论这个领域的一个冲突，解释量子力学的冲突

一些背景

索尔维会议。这张照片里有一些量子力学的先驱。

当马克斯·普朗克发现光实际上是由具有固定能量的粒子组成时，量子力学开始了。几年后，阿尔伯特·爱因斯坦根据这一发现，解决了当时一个普遍存在的问题（波粒二象性）。

在接下来的十年里，尼尔斯·玻尔、埃尔温·薛定谔、维尔纳·海森堡、马克斯·伯恩、保罗·狄拉克等物理学家引领了量子力学领域的发展。

简而言之，量子力学告诉我们，像电子或质子这样的粒子没有诸如“位置”这样的特殊属性。例如，电子没有固定的、确定的位置。但是，它存在于哪里呢？量子力学告诉我们，只有当我们测量电子的时候，才会得到一个确切的位置。

为了记录所有这些概率（电子可能在哪里），我们有一个数学工具称为波函数。电子的每一个可能位置都被称为一个状态，波函数给出了电子处于任何一个状态的概率。波函数表现得像波一样，导致了实验中粒子表现得像波一样。你可能听说过粒子可以是波，但实际上波的行为是由波函数决定的。

氢原子可能的波函数

但是，还有一个挥之不去的问题：测量的问题。波函数倾向于在给定的时间内展开。这意味着电子的可能位置数增加了。但是，当我们测量电子的位置时，我们看到它有一个固定的位置。在测量位置的过程中，扩散波函数发生了什么变化？这就是我们今天要讨论的问题。解释量子力学核心思想的方法。

哥本哈根解释。

首先，我们来看看对这个问题最古老的解释：哥本哈根解释。

哥本哈根解释告诉我们，当我们对波函数进行测量时，除了一个特定的以外（概率为1），所有的概率都降为零。这就确保了电子有一个固定的位置，不存在于其他任何地方。所有概率都趋于0的这个现象，被称为波函数坍塌。

波函数坍塌

我们能预测哪个概率是1，哪个概率是0吗？这就是哥本哈根解释的核心。没有办法知道波函数在哪里或如何坍塌。波函数所描述的每一个可能的概率都有机会成为真实的位置。

哥本哈根解释被当时的物理学家广泛接受。但主要的反对者是阿尔伯特·爱因斯坦。他讨厌波函数坍塌，而且没有实际的方法来确定它的想法。事实上，量子力学的主要预测之一——纠缠，就是爱因斯坦设计出来用来证明这种解释是错误的。

量子纠缠

一是坍塌必须是瞬间发生的。狭义相对论告诉我们没有什么事件可以瞬间发生。但哥本哈根的解释确实明确地暗示了：如果坍塌不是瞬间发生的，那么电子存在于其他地方的可能性很小。

还有一个问题是，这个坍塌的过程没有保存信息。与其他概率相关的信息发生了什么？哥本哈根的解释没有给出答案。还有一个坍塌实际发生在哪里的问题。也许当电子被测量的时候？或者当波函数的信息进入我们的脑海？这里没有明确的答案。

这就是为什么越来越多的物理学家发现哥本哈根的解释相当不准确。这就导致了更多这样的解释的出现。

多元宇宙

“多元宇宙”是最具科幻色彩的。它由休·埃弗雷特开发，它指出波函数描述的每一个可能的状态在测量后实际上都变成了电子的真实位置。这怎么可能呢？

多元宇宙解释：能实现的就一定会实现。

多元宇宙解释说，当我们测量电子时，它是波函数解码器。简而言之，“退相干”意味着波函数分裂或分离。我们知道，当我们测量电子时，退相干就会发生，但下一部分纯粹是推测。

当测量发生时，宇宙分裂，让位于多个平行宇宙。在每个新宇宙中，其中一个状态变成了新的真实位置。这些宇宙继续运行，每次测量时都分裂，再也不会相互作用。

现在，所有这些都是科幻小说的“金矿”，但这种解释无法得到证实。这就要求新宇宙之间不能相互作用，那么我们怎么可能探测到它们的信号呢？

我认为肖恩 卡罗尔说得最好：

虽然听起来很疯狂，但大多数物理学家都相信多世界理论

导频波解释

这个解释由德-布罗意提出，并由大卫·波姆修正，实际上把波函数和粒子当作独立的实体。

导频波理论可能的样子

导频波理论告诉我们，波函数是一个真实的波，叫做导频波。但是，它不只是描述一个粒子。粒子位于导波的顶部，然后被导波带走。但是，与哥本哈根不同的是，粒子的位置和轨迹是固定的。但是，关于位置和轨迹的信息是我们无法获取的，所以我们只能观察量子力学的随机结果。这从根本上改变了量子力学的核心哲学：它引入了决定论（给出一些初始信息来预测一切的能力），而不是概率。

当然，这个理论告诉我们，随机性仍然很普遍。虽然粒子有明确的性质，但我们作为实验人员，不能直接观察它。但这还不是全部。这个解释继续说，在整个宇宙中只有一个波函数。每个粒子都由这个奇异的导波携带。

到目前为止，导频波的解释似乎是量子力学唯一可信和直观的解释。但是，这个理论也有一些漏洞。其中最大的一个就是隐藏变量。

简而言之，隐藏变量是隐藏在波函数中的一些我们无法获取的额外信息。我们甚至在理论上都无法接触到它们。正如数学家冯·诺伊曼所表明的，任何包含隐变量的理论都不可能是准确的。

但是，导频波理论要求全局隐变量，这意味着隐变量在整个宇宙中具有相同的值，因为它们是一个大波函数的一部分。这种解释试图用这种隐藏变量来解决量子纠缠问题，但自从证明了纠缠与任何隐藏变量无关后，这种尝试就被抛弃了。

再加上它与狭义相对论不相容的事实，给了玻尔和其他先驱们一个反对的理由。直到现在，才有一些人开始赞同这种解释。

双缝干涉实验

双缝实验装置

双缝实验是物理学中最著名的实验之一。实际上，量子力学的起源与这个实验。虽然最初设计是为了证明光是波，但当我们试图用电子代替光时，我们得到了一个惊人的结果。

一些电子是通过某种机制被激发的。电子通过两条小缝，然后它们撞击缝后的屏幕。我们在屏幕上看到的是一种图案，只有当我们释放波时才能得到这种图案。

对这一现象的解释是，电子是由波函数决定的，它的行为像波。所以，当一个电子被发射时，它没有明确的轨道或位置。波函数编码了电子的各种可能状态的概率。

波函数通过这些狭缝，进行干扰，从而导致屏幕上的图形。当电子撞击屏幕时，它被测量，然后有了一个确定的位置。但是随着电子数量的增加，它们开始“填满”波函数的排列可能。

让我们把我们的解释应用到这个现象上。我们想知道当电子撞击屏幕时，波函数发生了什么。

哥本哈根解释：这个解释说，只要波函数触碰屏幕，它就会被测量。波函数坍塌，这意味着电子得到一个确定的位置。波函数中剩下的信息丢失了，这个过程是不可逆的。

多元宇宙告诉我们，只要波函数触碰屏幕，它就会解码器。然后，整个宇宙分裂成更多的“分支”。电子的位置不同。这两个宇宙从此分道扬镳，再也不会相互作用。

导频波理论：导频波告诉我们电子已经有了固定的位置和路径，但是我们无法测量它。波函数把电子带在上面，一旦电子到达屏幕，电子就会到达预定的位置。

你可能会看到我们得到了相同的结果，但是解释发生了什么事情的方式是根本不同的。哪一个是正确的？我们稍后会讲到。

更多的解释

当然，还有很多解释。这里我描述了三个最突出的例子。

量子贝叶斯理论

量子达尔文主义

随机力学

冯诺依曼-维格纳解释

有必要对这些解释进行更深入的研究

那么正确的解释是什么呢？答案是:“我们不知道”。我们需要更深入地研究这些解释，进行更多的实验，寻找矛盾，验证预测，发现漏洞。

但就目前而言，我们只能根据我们的直觉来判断。，许多人根据自己的直觉来选择他们想相信的东西。量子力学是一个全面运作的理论，如果没有解释“为什么”的问题会发生什么？我们看到一些东西，我们试图用理论来解释它。如果一种理论行不通，我们就引入一种新的理论。找出最本质的东西，以人类已知的最小尺度解释宇宙。

想了解更多精彩内容，快来关注老胡说科学

爱影视娱乐资讯