争鸣:量子测量仍然是一个问题

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2022年7月,《返朴》刊发了理论物理学家N. David Mermin讨论量子测量的文章译文《量子测量问题是一个问题吗?》。在作者看来,量子测量问题不是一个问题,因为量子系统的态取决于观测者的选择。但他的观点并不被所有人接受,另一位物理学大咖Sean Carroll就认为量子测量仍然是一个问题。Carroll表示,尽管对于解决该问题人们提出了许多了定义明确的理论,但目前还没有出现可以被大多数物理学家所接受的理论,并且对于这些理论我们也未能完全理解。本文他将简要介绍几种合理的方案。

撰文 | Sean M. Carroll

翻译 | 一二三

解决这个问题的尝试已经催生了一系列定义明确的理论。在它们之间做出选择可能对基础物理学的进展至关重要。

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Sean M. Carroll(1966-)

当我们进行量子测量时,到底发生了什么?大体上来说这就是量子测量问题。有一些乐观的人,如David Mermin(见doi:10.1063/PT.3.5027,《量子测量问题是一个问题吗?》),认为不存在测量问题,但那是因为他们认为自己知道这个问题的答案。不幸的是,尽管历经了近一个世纪的努力,目前还没有一个解决方案被大多数物理学家所接受。最公平的做法是承认测量问题仍然存在。

教科书式的量子理论不可否认的在经验上的成功,使测量问题的尴尬更加突显。根据这种处理方法,量子系统是用波函数描述的。波函数的演化遵从薛定谔方程,至少在系统未被观测时是如此。在测量时,波函数坍缩为观测量的一个本征态。

教科书式的量子力学可以处理各种各样的数据,但它显然不是最终的答案。它太模糊了,而且定义不清,算不上严格的物理理论。究竟什么是“测量”?什么样的系统能进行测量,以及测量究竟何时发生?测量仪器和观察者本身是量子系统吗?测量是否揭示了一个预先存在的现实,还是它本身造就了世界的存在?

任何一个关于量子力学基础的可信方案 ,都必须对这些问题提供明确的回答。

多线出击

问题并不在于没有可信的解决方案,而在于有几条合理的路线可以选择,但所有这些都有明显的缺点。特别是,每一种方法似乎都要求我们对世界的传统直观进行重大革新。也许这是可以预见的——量子力学与经典力学有深刻的不同——但对于哪些革新是值得的,哪些是太过不着边际不值一试的,人们意见不一。

从玻尔(Niels Bohr)和海森堡(Werner Heisenberg)那里继承来的一种策略是,将测量作为核心,而不是一个恼人的技术性问题。分析的关注点不是物理世界本身,而是其中的一组主体,以及这些主体所积累的经验和知识。这种方法被称为认识论意义上的(epsitemic),因为波函数并不代表物理实在,而只是一种追踪主体对物理实在认识的工具。哥本哈根诠释属于这一类,就像Mermin所赞成的量子贝叶斯方法一样(见Mermin的评论,doi:10.1063/PT.3.1618)。

物理学不是关于客观实在的,而是关于主体经验的,这无疑是一个巨大的转变。这似乎与科学的总体进展背道而驰,因为科学已经将人类从万物运行的中心角色上开除了。更本质的是,人们可能仍会喜欢一个关于物理世界的严格的数学定义,以及在这一定义下主体是什么。但是,也许这种观念上的彻底改变正是量子力学对我们的要求。

然而,这并不是唯一的选择。第二种策略是假设波函数完全且准确地表征现实——一种本体论(ontic)的而非认识论的角色。在电子通过双缝时,电子的波函数会与自身发生干涉,这种行为似乎是物理实体的特性,而不是知识表象的特性。就此而言,像材料的一些性质,比如固态,被解释为原子波函数的能量;同样地,这是一个非常“物理实体”的属性。

可是,当我们测量量子系统的属性时,我们观测到的并不是波函数。我们观测到的是待测量的具体数值。正是这一点启发量子先驱们以不同方式的思考。如果世界就是波函数本身,我们如何解释这一特征呢?

生活在叠加态中

本体论策略的一个激进版本是,直接抹去所有教科书版量子力学中与观测有关的规则。从形式体系中完全删除测量,接受波函数完全描述现实,并坚持认为它所做的一切就是服从薛定谔方程。从这些假设中,我们发现测量仪器不会使被测系统状态坍缩;相反,它与被测系统纠缠在一起。当一个电子的自旋被测量时,整体波函数的一个分量将电子描述为自旋向上,观察者也将其测量为自旋向上,而对另一个分量也是如此——自旋向下。如果我们不加质疑地采纳薛定谔方程,那么这两种分量都将继续存在。

这种观点的问题是,我们从来没有“感觉”到我们处于叠加态;根据经验,我们报告的是确定的测量结果。多世界诠释创立者休·埃弗雷特(Hugh Everett)提出的解决方案是,我们可以将波函数的不同组成部分作为不同的、不相互作用的世界。现代退相干理论在其上添砖加瓦,解释了某一个世界是如何被选择出来的,以及为什么不同世界之间从不相互作用。

无疑,问题仍然存在。该如何导出玻恩规则——出现某一个实验结果的概率由其振幅平方给出——如果每个结果都在某一分支中发生?在一个更哲学的层面上,我们是否真的准备接受存在无数个我们自己的副本,生活在略有不同的世界里吗?这种方法从形而上学上来说是富有戏剧性的,就像先前的把主体放在物理学理论中心一样。

还有另一种策略也是可能的——仍然接受波函数完全代表现实,但否认它总是服从薛定谔方程,并且将真正的坍缩引入动力学。这不需要引入测量,而是允许这种坍缩自发发生(每个粒子在单位时间内都有一个突然坍缩的概率),或被触发(当波函数的分支变得足够不同时坍缩发生)。无论哪种情况,坍缩都被认为是真正随机的,其发生频率满足玻恩规则。

实际上,这些客观坍缩是对埃弗雷特方法中隐含的额外世界的剔除。与此同时,对薛定谔方程的决定论之美施以随机性的暴力,这显得有些刻意为之,对波函数坍缩至哪里的选取也面临同样问题。好消息是,这样的修改是可以通过实验来检验的,尽管这些实验通常涉及到将大量粒子保持在相干叠加状态。

隐变量

最后一个策略可被认为是一个中间策略:同意波函数是现实的一部分,但不是全部,也不是我们进行测量时看到的那部分。在这种观点中,我们看到了粒子,不仅因为其波函数,也因为粒子是作为独立实体存在的。这些额外的 自由度被称为隐变量,尽管它们就是我们所观察到的东西。波函数作为一个 “导航波”,引导粒子进入正确的位置以进行测量。这种引导是一种非局域效应,由此该理论与贝尔定理兼容。德布罗意(Louis de Broglie)先提出了这一方法,并且得到了大卫·玻姆(David Bohm)和约翰·贝尔(John Bell)的支持。(编者注:参见《玻姆力学——教科书之外的量子理论》)

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导航波理论,就像客观坍缩理论一样,似乎有些故意为之的意思。波函数引导粒子,但粒子对波函数却没有任何影响。也许更令人担忧的是,很难将这种策略从描述单粒子推广到更现代的量子场论。也更加难以想象量子引力最终将如何被纳入。无需多言,该方法的支持者们对解决这些问题有一些想法。就像上述理论的支持者也有解决他们自己问题的想法。

因此,有许多不同的方法来解决量子测量问题。所有这些不同方法都是合理并定义明确的物理理论(还有一些在这里没有篇幅提及)。但最终,他们对实验结果的预测似乎是相同的,或相当接近。我们应该关心这些方法吗?

是的,我们应该关心,因为物理学还没有完成。正如理查德·费曼(Richard Feynman)所指出的,理论可以在形式上等同但在“心理”上不同。当我们试图构建更全面的大统一理论、量子引力和层展时空理论时,我们所提出的想法可能会受到我们对量子力学基础态度的强烈影响。在一种方法中似乎不值一提的问题在另一种方法中可能值得强烈关注。

此外,我们确定这些方法在实验上是等同的吗?我自己的观点是,这些理论还没有发展完全,而且我们还没有投入足够的精力来理解它们,所以不能确定。只有准确了解这些选项是什么,以及它们如何与物理学的其他部分结合起来,我们才能确定。可能有一些我们未曾设想的新实验可以区分它们。而这正是物理学的全部意义所在。

作者简介

Sean Carroll,美国理论物理学家,目前是约翰斯·霍普金斯大学自然哲学Homewood教授和圣塔菲研究所分形学院教授。Carroll主要研究方向是量子力学的基础、场论、引力和宇宙学,以及复杂性等。他也是一位高产的作者,著有教材《时空与几何》(Spacetime and Geometry:An Introduction to General Relativity),科普图书《从永恒到此刻》(From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time),《大图景》(The Big Picture On the Origins of Life, Meaning, and the Universe Itself),《隐藏的宇宙》(Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime)等。

本文经美国物理联合会(AIP)授权翻译发表于《返朴》(FanPu),原文译自Sean Carroll, Addressing the quantum measurement problem;Physics Today 75, 7, 62 (2022);https://doi.org/10.1063/PT.3.5046

Reproduced from [Sean Carroll, “Addressing the quantum measurement problem”, Physics Today 75, 7, 62 (2022), https://doi.org/10.1063/PT.3.5046], with the permission of the American Institute of Physics.

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