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在另一个世界里,所有消散的灵晕会重新汇聚,基督可以复活。

季燕江 奇迹笔记 2023-11-24

关于量子力学诠释,

众所周知量子力学是海森堡、薛定谔、狄拉克三人创建的。海森堡建立的是量子力学的矩阵力学形式,薛定谔是波动力学,狄拉克是量子力学形式体系的完结者,他创建了表象理论,论证了矩阵力学和波动力学的等价性。

今天教科书上学到的量子力学基本上和狄拉克给出的量子力学形式一样,冯·诺依曼后来把量子力学整理成几条基本原理,所以教科书版的量子力学不妨被称为狄拉克/冯·诺依曼的量子力学。

它大致包含以下要点:

1. 物理系统的状态由量子态(又称波函数)表示;
2. 量子态是希尔伯特空间中的一个向量;
3. 量子态随时间的演化,符合薛定谔方程;
4. 物理量(观测量)由厄米算符A表示;
5. 物理量的期望值可由量子态ψ,和Aψ的内积计算出来;
6. 对量子态测量物理量A,测量值为本征值问题Aψ=aψ计算出本征值ai中的一个,我们获得特定测量值ai的概率是ψi与ψ内积的绝对值的平方。

以上是凭我印象罗列出来的,不保证完整性和精确性。它导致一些关于量子力学的重要理解:

1. 如果我们承认量子力学是完备的话,我们关于世界一切可能的知识都蕴含在量子态(波函数)之中。
2. 量子态随时间的演化是决定性的,可逆的,这类似于经典物理中的轨迹。不考虑耗散的话,经典世界中的未来是可以被预测的,历史是可以被反演的。量子态也一样。
3. 物理量的取值是通过测量过程获得的,一般而言,如果量子态不是物理量的本征函数,测量是个破坏性的、不可逆的过程。而对于人(认知的主体)来说,测量就显得格外重要,因为量子态对人来说是“非物理”的,必须借助物理量我们才能认识量子态,才能与实验结果比较。

在狄拉克/冯·诺依曼的量子力学里,测量恰恰没有被清晰地阐述,狄拉克原文是这样说的:

    A measurement always causes the system to jump into an eigenstate of the dynamical variable that is being measured.

这就是所谓波函数的坍缩,成功的测量在效果上使得量子态坍缩于某一个物理量的本征态上,发生坍缩的概率正比于ψi与ψ内积的绝对值的平方。

波函数的坍缩将导致量子力学的另一重要特质,即所谓非局域性(Non-locality),一个量子态(比如多粒子的量子态)是可以扩展地存在于空间中的,局域态矢量的改变,意味着态矢量瞬间在全局的变化,这很容易构造出一些超光速的“变化”,但这些超光速的变化由于无法传递信息,所以并不与狭义相对论矛盾。

关于测量,

测量过程被构建为一个主、客二分的形式,这有浓烈的传统西方哲学色彩。量子力学的哥本哈根诠释很大程度上是在这个框架下展开的。主体(Observer)对客体(Object)的研究由于认识论的原因存在着一些根本的限制,这个局限性是由玻尔的互补原理来阐述的。

比如:

在位置测量中,我们只能获取粒子的位置信息,而在动量测量中,我们只能获得粒子的动量信息。我们无法在一次测量中同时获得粒子的位置和动量的信息。我们也无法通过“位置-动量-位置”测量获得前后一致的位置信息。因此我们的知识总是互补的,有了A,就意味着B的匮乏,有了B,就意味着A的匮乏。

量子力学的主流诠释一向被认为是哥本哈根诠释,但实际上除了哥本哈根学派自己,其他因循(自称)是哥本哈根派的人很少知道哥本哈根学派的核心主张是什么。这里更多是一种学生/门徒心态,即我是从课本上学到量子力学的,而教科书是哥本哈根学派或与哥本哈根学派有亲密关系的人写就的,因此我在运用这些教科书里传授的数学手续/技巧的同时,我就对外宣称我秉承哥本哈根的主张,至于其内容是什么,我并不清楚,也没必要清楚,我只要会算就可以了。

Bohr (Left) and Hugh Everett III (Middle)

哥本哈根学派的核心是玻尔/海森堡,这两个人都是比较偏“哲思”类的物理学家,狄拉克/冯·诺依曼等则是其外围或亲密朋友。狄拉克/冯·诺依曼是两位杰出的应用数学家,前者物理倾向更明显,而后者数学倾向更明显。量子力学的圣经是狄拉克/冯·诺依曼用数学的语言写就的,而玻尔/海森堡则给出了关于量子力学圣经的诠释。

在此比喻下,我们大致就明白了什么是量子力学诠释,玻尔的角色好比就是哥本哈根学派的教皇,海森堡是枢机大主教,著名的罗森菲尔德是教皇的唱诗童子。我国学者戈革则是复兴哥本哈根学派的亚圣。(上帝貌似是狄拉克,圣经是他的 The Principles of Quantum Mechanics

“(我不懂量子力学),我相信没人真懂量子力学。”的费曼在这里被我读出了新的意味,费曼这种机灵鬼应该是懂量子力学的,他不懂的是作为圣经诠释学的量子力学诠释。懂恰恰是费曼的智慧,众所周知,费曼还在狄拉克之后搞出了量子力学的第三种表示——路径积分表示——并谦逊地说能认为费曼图里所描述的过程和粒子都是真实的,它们仅仅是数学的。

面对圣经,除了说(我本凡人)不懂,只管去用,另一种态度则是否定教皇对圣经的唯一权威,大胆地说我认为是这样的,这种异端/革命家在历史上是属于布鲁诺,马丁·路德,约翰·加尔文和潜在的每一个你、我、他/她的。

教皇之外,大胆地说出自己对圣经的诠释的人有:德布洛意(导波理论),玻姆(隐变量),休·艾佛里特(多世界)等。有趣的是,根据统计,笃信多世界/量子退相干诠释的物理学家已逐渐占上风,超过了笃信正统的哥本哈根学派的物理学家。

Hugh Everett III (1930-1982)

这里需要提醒的是,科学新闻中经常出现的哥本哈根版本量子力学被证实的研究,这并非是对哥本哈根诠释的加持,而是对狄拉克/冯·诺依曼量子力学圣经的验证。圣经诠释学是基于共同圣经的,否则就不是诠释了。换句话说,要彻底击倒某个诠释也是很难的,如何让自己的思想感到愉悦是无法被规定的,本质上,每个人都可以和圣经直接对话,并给出自己的诠释。

如果是这样的话,量子力学诠释就被贬低为二流甚至不入流的学问了,这也许是费曼的本意。多世界诠释的大佬多伊奇(David Deutsch)则坚定地认为多世界理论就是量子力学本身,说多世界理论是诠释,你干嘛不说恐龙是恐龙化石的诠释啊?费曼和多伊奇,就叫一个意思,各自表述。

一个有趣的发现是,痴迷于量子力学另类诠释的物理学家都是个性鲜明,不走寻常路的人,这也是我为什么对这个不入流学问感兴趣的原因。休·艾佛里特是个酒鬼,坚定的唯物主义者,就业于国防相关的产业界,除了多世界理论(博士论文工作)没有任何其他物理工作。玻姆,真正的大师,享有与费曼一样厉害的名声,但因政治主张被母邦驱逐,漂泊于巴西,以色列,英国。饶是如此,仍完成了AB效应这种超诺奖级工作。有意思的是,本来学术上可以和费曼一样成为量子太子的玻姆,最终还是滑向了民科,成了臭名卓著的非主流。其他:贝尔,多伊奇,Wojciech H. Zurek,Bob Coecke等也很有意思(给我的整体感觉就是很嬉皮/摇滚/叛逆)。

David Bohm (1917-1992)

我最近喜欢用水面之下的科学家的概念,在我看来,贝尔,休·艾佛里特,纳什,甚至玻姆都算水面之下的科学家。水面之下的意思是失败,不受公众关注,非主流,缺乏经费,不在台面上,不光鲜等。在基础研究主要被政府/大基金赞助的今天,不论中外,浮在水面之上的科学家的形象是高度同一的,资源丰富,从事产业界/范式内紧迫的工作,产出丰富,Impact巨大,冒险而且算计,精神气质更像企业家。科学创新光看水面之上,是一方面(高度迷惑/欺骗性),另一方面(更重要的)则是要看水面之下的科学家。

关于多世界诠释,

休·艾佛里特等取消了测量的核心地位,观测者(Observer)被降格为与客体(Obeject)一样,统一用一个波函数去描述(Universal wave function),这可以看做是休·艾佛里特作为坚定的唯物主义者对玻尔/海森堡这样的唯心主义者的反动。当然这在物理上是有用的,因为我们在研究宇宙学的时候,观测者是没有容身之地的,这也是多世界理论在沉寂十年之后会咸鱼翻身的背景。

取消观测这一主观动作之后,就不会有波函数的坍缩,统一的波函数会按量子力学的规律随时间演化,客体(Object)的波函数和环境(Environment)的波函数会纠缠在一起,真实的物理系统(有限温度)会发生量子退相干(Quantum Decoherence),退相干使波函数(世界)不断分裂,每一个分裂的波函数(分叉的世界)都是真实的,但我们所在的世界,和我们亲戚所在的世界就再也不会交迭,我们的世界还会继续分裂……一直分裂下去。

我们就是这无穷分裂世界中的一个树杈,另一个树杈也是真实的,我们的亲戚在那里经历着和我们很不一样的世界。其中一个世界:所有消散的灵晕会重新汇聚,基督可以复活。

今天多世界/退相干诠释的流行和大热的量子计算有关,量子态的演化,量子退相干,测量等都是量子计算中的核心概念。量子计算提供了量子诠释研究一个用武之地,反之量子诠释研究会赋予量子计算某种潜在的基础性/重要性。

不过我对这一主题的兴趣仍然局限于挖掘休·艾佛里特,玻姆,贝尔等人的八卦和人生上。欢迎大家关注后续更新。

@ianwest

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