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量子力学中的哲学问题

量子力学是一门研究亚原子粒子(如夸克、强子和胶子)运动和相互作用的物理学。1926年,薛定谔成功地推导出了psi函数,为量子力学作出了重大贡献。后来创造了薛定谔方程,psi函数描述了量子力学系统的波函数。在用psi函数描述世界的过程中,薛定谔提出了我们这个时代最深奥的哲学问题之一。

那些第一次接触量子理论时不感到震惊的人不可能理解它。——尼尔斯·玻尔,《原子物理与人类知识》

在量子力学中,世界可以用状态来描述。这些状态在数学上可以用薛定谔方程来描述,薛定谔方程预测了世界或系统在某一时刻的状态。量子力学中困惑的症结在于数学预言的奇怪现实:一个系统可以处于系统状态的叠加状态。

问题的一个简化图:薛定谔方程表明,球可能处于黑态和白态的叠加状态。来源:《量子力学与经验》目前还不清楚叠加的真正含义。乍一看,叠加似乎意味着我们的现实同时处于多种状态。然而,那不是我们生活的现实。事实上,我们的经验与叠加的概念是矛盾的。我们相信我们所观察到的关于物体属性的特定事实,比如球的颜色。我们并不认为事物的状态是几种状态的叠加,尽管如此,我们还是理解了这个概念最初的含义。

测量学提出了一个重要的问题:量子力学是否表明,我们所相信的事实是不存在的?来源:《量子力学与经验》理解叠加问题的一个方法是思考一个涉及人类观察者的系统的叠加的含义:薛定谔方程导致了一种状态,在这种状态下,我们的信念可以处于叠加状态,因此,对于观察者所相信的真理,似乎没有任何事实。这与一个看似最可靠的信息来源——大脑——形成了直接的矛盾。

坍缩假设通过在量子力学中加入一个概率成分来调和叠加。我们用坍缩假设调和了薛定谔方程的动力学预测。坍缩假设声称处于叠加态的状态以概率坍缩到其中一个状态。例如,球将坍缩成黑色或白色的状态,并根据系统的波函数计算出特定的概率。在坍缩的情况下,我们对现实的体验可能是正确的。

量子力学的动力学,由薛定谔方程规定,是完全确定的。然而,坍缩的假设是概率性的,描绘了世界在某个时间点的概率图景。测量问题是,确定性动力学和概率坍缩假设如何能保持一致。

薛定谔方程是不正确的,它不包含代表世界状态所需的所有信息。这一观点在韦伯理论中得到了体现,该理论在薛定谔方程中加入了一个额外的坍缩假设。薛定谔方程是正确的,但需要另外一个独立的假设来充分描述这个世界。这一观点体现在玻姆的理论中。解决方案1:吉拉尔迪、里米尼、韦伯理论

1986年,吉拉迪、里米尼和韦伯提出了一种方法来考虑贝尔的一种可能的解决方案,即修改波函数,使波函数成为对世界的完整的物理描述。具体地说,为了解决测量问题,韦伯提出波函数本身需要一个附加项。这种可能性是这样提出的,即坍塌所给出的预测遵循我们对世界的宏观观察。

韦伯理论很吸引人,因为韦伯提出的概率与经验证据相一致,这很重要,因为我们有强大的、重复的实验来支持量子力学的某些特性。在人类互动的宏观尺度上,结果是这些预测的坍缩发生得非常频繁,因此我们可以在人类尺度上确定地观察我们的世界。

然而,这里仍然存在一些问题。为了遵循不确定性原理,韦伯理论对坍缩的定义与我们想象的略有不同。当坍缩发生时,状态必须仍然处于叠加态才能使能量定律成立,但状态只是变得更相似(如果你熟悉线性代数,那么可以把状态看作向量,坍缩使向量更靠近)。这意味着叠加性是存在的。

玻姆的理论采用一种认知的方法来解决测量问题。从理论上讲,每个粒子都有一个确定的位置,但作为人类,我们无法获得确定所有粒子位置所需的所有信息。因此,在量子力学中,概率作为一种认知理念而存在,因为人类对世界的确切状态一无所知。

玻姆的理论设想薛定谔方程给出的波函数是正确的、真实的和物理的。根据玻姆的理论,波函数随着动力学的变化而变化,理论上可以根据t-1时刻的波函数确定地计算出t时刻的波函数。由于我们不知道粒子在时间t=0(宇宙的开始)时的值,以概率形式出现的认知不确定性就被掩盖了。

为了解决测量问题,玻姆的理论提出了一个特殊的附加假设,即当系统处于叠加状态时,测量后会发生什么。测量后,会发生有效的坍塌。在有效坍缩中,波函数的其他项等于0,但波函数仍处于叠加状态。因此,我们所知道的关于系统状态的一切就是它的有效波函数,而测量只是缩小了位置的可能性范围。这样看来,玻姆的理论很有吸引力,因为它符合我们的宏观和微观观察。

玻姆的理论导致了动力学的非对称性,在这个理论中,波函数决定了粒子的运动,但粒子的运动不决定波函数。关于这个概念有一些不直观的东西,很多人提到这个可能是对玻姆理论的反对。

与韦伯理论或玻姆理论不同,薛定谔方程既不正确也不完整。相反,埃弗雷特提出了一个截然不同的解释:叠加是世界分裂成多种可能性的时刻。当我们测量时,我们落在世界的一个特定的分支上,而不知道其他的分支。

埃弗雷特提出了一个激进的新观点:如果一个波函数的连续演化不被测量行为打断会怎样?如果薛定谔方程总是适用于所有事物——物体和观察者——会怎样?如果没有叠加的元素从现实中消失会怎样?——彼得·伯恩《休·埃弗雷特的多重世界

概率论的概念产生了一个很大的认知问题。在多世界的背景下,还不清楚概率意味着什么,因为每个分支都是确定的。统计学中的哲学问题是量子力学中哲学问题的一个领域。

我已经简要地概述了测量问题,它构成了量子力学哲学问题的基础。我还讨论了解决度量问题的三种可能的方法:韦伯理论、玻姆理论和埃弗雷特的多世界理论。

对于测量问题还有其他建议的解决方案,但是上面概述的三个解决方案为思考解决问题的常规方法提供了基础。

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