【波函数坍缩观察者】关于「波函数坍缩」 有没有通俗点的解释?

2019-12-23 - 波函数坍缩

量子理论并没有回答波函数到底是什么,以及是否可以把它当做真实存在的波动这样的问题。所以,我们观察到的随机性是大自然的内在性质还是表面现象这一问题也有待解决。对于这个问题,你如何回答? 各位波函数既然符合描述,就应当被看作实在性理论。即可以把它当做真实存在的波动。不是虚拟的粒子的波动!我们所观测到的随机性其实不是随机的。继续来看下文。

波函数坍缩观察者

维尔纳·海森堡把波函数想象成掩盖了某种物理实在的迷雾。如果靠波函数不能精确地找出某个粒子的位置,实际上是因为它并不位于任何地方。只有你观察粒子时,它才会存在于某处。波函数或许本来散开在巨大的空间中,但在进行观测的那个瞬间,它在某处突然坍缩成一个尖峰,于是粒子在此处出现。

波函数坍缩观察者

当你观察一个粒子时,它就不再表现出确定性,而是会“嘣”的一下突然跳到某个结果,没有什么定律可以支配坍缩,没有什么方程可以描述坍缩,它就那样发生了,仅此而已。

波函数的坍缩是哥本哈根诠释的核心,这个诠释由玻尔和他的研究所所在的城市命名,海森堡也在此处完成了他早期的大部分工作(讽刺的是,玻尔自己从来没有接受波函数坍缩的观点)。哥本哈根学派把观察到的随机性看作量子力学表面上的性质,而无法做出进一步解释。

波函数坍缩观察者

大多数物理学家接受这种说法。 各位,海森堡的描述,你可以想象吗?不可以想象!我相信这也是玻尔自己没有接受这个观点的原因。 这就是爱氏反对哥本哈根诠释的原因,他不是在反对量子力学。

他不喜欢测量会使得连续演化的物理系统出现跳跃这种想法,这就是他开始质疑“上帝掷骰子”的背景。“爱因斯坦在1926年所惋惜的是这一类具体的问题,而并没有形而上地断言量子力学必须以决定论为绝对的必要条件,”霍华德说,“他尤其沉浸在关于波函数的坍缩是否导致非连续性的思考中。”

波函数坍缩观察者

各位,这就是问题的关键部分了。爱氏的考虑绝对是值得的。但爱氏关于观测对于物理系统的影响的认识,远远没有今天的我们深刻。观测可以影响结果。如果我们承认事物的联系性,就必须承认此点。 爱因斯坦认为,波函数坍缩不可能是一种真实的过程。

这要求某个瞬时的超距作用——某种神秘的机制——保证波函数的左右两侧都坍缩到同一个尖峰,甚至在没有施加外部作用的情况下。不仅是爱因斯坦,同时代的每个物理学家都认为这样的过程是不可能的,因为这个过程将会超过光速,显然违背相对论。

我个人是赞同这个观点的,以为海森堡的波函数坍缩是不可想象的。而且按照海森堡的思路的话,我们永远也别想拿出一个理论来认识真实的世界了。那么人类现在的繁荣是什么?现在科学知识大厦是什么?引力万有难道会不确定? 所以哥本哈根学派认为量子力学是完备的、是永远不被取代的终极理论,而爱因斯坦认为这种想法过于轻浮。

他把所有的理论,包括他自己的,都当做是更高级的理论的垫脚石。

爱因斯坦认为,如果抓住哥本哈根学派未能解释的问题,就会发现量子随机就像物理学中其他所有类型的随机一样,是背后一些更加深刻过程的结果。爱因斯坦这样想:阳光中飞舞的微尘暴露了不可见的空气分子的复杂运动,而放射性原子核发射光子的过程与此类似。

那么量子力学可能也只是一个粗略的理论,可以解释大自然基础构件的总体行为,但分辨率还不足以解释其中的个体。一个更加深刻、更加完备的理论,或许就能完全解释这种运动,而不引入任何神秘的“跳跃”。

根据这种观点,波函数是一种集体的描述,就像是说,如果重复掷一个公平的骰子,每一面向上的次数应该是大致相同的。波函数坍缩不是物理过程,而是知识的获得。如果掷一个六面的骰子,结果向上的那面是4,那么1至6发生的可能性就“坍缩”到了实际的结果,即4。

如果存在一个神通广大的魔鬼,有能力追踪影响骰子的所有微小细节——你的手把骰子丢到桌子上滚动的精确方式——它就绝对不会用“坍缩”来描绘这个过程。

爱因斯坦的直觉来自他早期关于分子集体效应的工作,1935年爱因斯坦写信给哲学家卡尔·波普尔:“你在你的论文中提出不可能从一个决定论的理论导出统计性的结论,但我认为你是错的。只要考虑一下经典统计力学(气体理论,或者布朗运动理论)就能知道。

” 爱因斯坦眼中的概率同哥本哈根诠释中的一样客观。虽然它们没有出现在运动的基本定律中,但它们表现了世界的其他特征,因而并不是人类无知的产物。在写给波普尔的信中,爱因斯坦举了一个例子:一个匀速圆周运动的粒子,粒子出现在某段圆弧的概率反映了粒子轨迹的对称性。

类似地,一个骰子的某一面朝上的概率是六分之一,这是因为六面是相同的。“他知道在统计力学中概率的细节里包含有意义重大的物理,在这方面,他的确比那个时代的大多数人都理解得更深。

”霍华德说。从统计力学中获得的另一个启发是,我们观察到的物理量在更深的层次上不一定存在。比如说,一团气体有温度,而单个气体分子却没有。通过类比,爱因斯坦开始相信,一个“亚量子理论”与量子理论应该有显著的差别。

他在1936年写道:“毫无疑问,量子力学已经抓住了真理的美妙一角……但是,我不相信量子力学是寻找基本原理的出发点,正如人们不能从热力学(或者统计力学)出发去寻找力学的根基。”为了描述那个更深的层次,爱因斯坦试图寻找一个统一场理论,在这个理论中,粒子将从完全不像粒子的结构中导出。

简而言之,传统观点误解了爱因斯坦,他并没有否定量子物理的随机性。他在试图解释随机性,而不是通过解释消除随机性。 各位朋友,读到这里,你应该有很明确的意识了。

就像EPR之争一样,这里面的矛盾性是不可消除的。爱氏说:“上帝不掷骰子!”玻尔用爱氏自己的话反驳说:“你又要来充当上帝掷不掷骰子的角色!”各位仔细体味这两句话。我的问题是:“那句话中的上帝是自然的?”所以我在开篇时候,就说了:“上帝不掷骰子,上帝让人类来掷骰子!

”我时常思考,有人参与理论,人一定要谨慎自己。 虽然贝尔不等式没有站在爱因斯坦这边,但是他对于随机性的基本直觉依然成立:非决定论可以从决定论中导出。

量子和亚量子层次——或大自然中其他成对的层次——各自包含有独特的结构,所以它们也遵从不同的定律。支配某个层次的定律可以允许真正的随机性存在,即使下一层次的定律完全是秩序井然的。

“决定论的微观物理不会导致决定论的宏观物理。”剑桥大学的哲学家杰里米·巴特菲尔德(Jeremy Butterfield)说。 虽然更高的层次建立(用术语来说,就是“随附”supervene)于低层次上,但它是自己独立运行的。

为了描述骰子,你需要在骰子所在的层次上努力,而当你做这件事的时候,你只能忽略原子和它们的动力学。如果你从一个层次跨越到另一个层次,那么你就出现了“范畴错误”,用哥伦比亚大学哲学家戴维·Z·艾伯特(David Z.

Albert)的话说,就像是在询问金枪鱼的政治立场一样。“如果有某种现象可以在多重层次上描述,那么我们在概念上就要非常谨慎,以避免层次上的混淆。”利斯特说。

层次的逻辑反过来也管用:非决定论的微观物理可以导致决定论的宏观物理。组成棒球的原子随机地运动,但棒球的飞行轨迹却完全可以预测,因为量子随机被平均掉了。同样地,气体中的分子有复杂的运动(实际上是非决定论的),但气体的温度和其他的特征可由非常简单的定律描述。

还有更大胆的推测:一些物理学家,例如斯坦福大学的罗伯特·劳克林(Robert Laughlin)提出,低层次是完全无关紧要的。无论基础组分是什么东西,都能有相同的集体行为。毕竟,像水中分子、星系中恒星和高速公路上的汽车这些多种多样的系统,都遵循流体运动定律。

当你从层次的角度思考,非决定论标志科学的终结的顾虑就荡然无存。我们周围并没有一堵墙,把遵守物理定律的宇宙整体与其他不遵守定律的部分隔开。相反地,世界是由决定论和非决定论组成的层状蛋糕,而人类就存在于这个层状蛋糕中。

即使粒子的所有行为都是已经注定的,我们的选择依然可以完全由我们自己决定,因为支配粒子行为的低层次定律与支配人类意识的高层次定律是不同的。这种观点化解了决定论与自由意志的困境。 别忘了热力学第二定律,它给出一个宏观方向!世界是确定的!

摘自独立学者,科普作家灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》

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