连著名的物理学家都不能真正理解量子力学,为什么?

今天,物理学的基本理论几乎停滞不前。我们仍然不知道暗物质是什么,我们仍然没有解决爱因斯坦引力理论和粒子物理标准模型之间的区别...

量子力学不是火箭科学,但它有可能取代火箭科学,成为一个不可理解的数学问题。众所周知,量子力学很难理解。它与直觉背道而驰,似乎毫无意义。科普报道总是把它描述为“奇怪”、“奇怪”、“不可思议”或所有上述特征。

然而,我们不这样认为。量子力学是完全可以理解的。半个世纪前,只有物理学家放弃了唯一的理解方式。今天,物理学的基本理论几乎停滞不前。当年未能解决的重大问题今天仍悬而未决。我们仍然不知道暗物质是什么,我们仍然没有解决爱因斯坦引力理论和粒子物理标准模型之间的区别,我们仍然不知道测量在量子力学中的意义。

我们如何克服这些困难?是时候重新审视一个早已被遗忘的解决方案了:超决定论,也就是说,宇宙中没有两个部分是真正相互独立的。这个方案让我们对量子测量有了物理上的了解,并且有望改进量子理论。修正量子理论将成为物理学家解决其他物理问题和发现量子技术新应用的动力。

量子力学无处不在

迄今为止,物理学家和哲学家都认为有缺点的不是量子力学,而是我们对它的理解。因此,对量子力学的理解可以集中在对其数学的重新解释上,希望这个问题能够最终取得突破。但是突破还没有发生,因为量子力学的每一种解释都有问题。它们并不完全一致。只有更好的理论才能解决这些问题。量子力学不可能是自然界运行的最基本的规则。我们必须超越它。

问题是没有人知道为什么当人们试图测量量子效应时,它们会消失。

公平地说,抱怨量子力学的缺点并因此要求完全取代它的其他理论是对这样一个成功而精确的理论的最大侮辱。我们必须强调,量子力学已经存在了100多年,不管它是否奇怪。它做了许多令人惊奇的工作,帮助相信它的物理学家赢得了许多奖项。

没有量子力学,我们就没有激光、半导体和晶体管、电脑、数码相机和触摸屏。我们没有自旋磁共振,电子隧道显微镜和原子钟。我们不会有任何基于所有这些技术的众多应用。没有无线网络、人工智能和发光二极管,现代医学将基本上不复存在,因为大多数成像工具和分析方法现在都依赖于量子力学。最后但同样重要的是,量子计算机不会出现。

因此,毫无疑问,量子力学与社会密切相关。同样,毫无疑问,更好地理解它可以带来更多的成就和进步。

没有人理解量子力学。

那么,为什么连著名的物理学家都一再声明量子力学是不可理解的呢?

量子力学的核心概念是波函数。在量子力学中,一切都用波函数来描述。波函数用来描述基本粒子,基本粒子构成一切,所以一切都用波函数来描述。所以有电子波函数、原子波函数、猫波函数等等。严格地说,所有的事物都有量子行为,但是大多数量子行为在日常生活中是无法观察到的。

问题是没有人知道为什么当人们试图测量量子效应时,它们会消失。自从物理学家提出量子力学以来,这个“测量问题”一直困扰着他们。有些谜题已经解决了,但对这一部分的理解仍然不尽人意。

隐藏变量:掷骰子的结果是不可预测的,因为它对细节(比如手的运动)很敏感。因为这部分信息是未知的,为了实用目的,骰子是随机掷的。这就是如何理解量子力学。如果缺乏信息,量子测量的结果是可以得到的。

为了理解这个问题,假设你有一个粒子和两个探测器,一个在左边,一个在右边。如果粒子被发送到左侧,左侧检测器将发出咔嗒声。如果粒子被发送到右边,右边的检测器会发出咔嗒声。但是在量子力学中,你可以做更多的事情:你可以把一个粒子同时置于两种状态。例如,你可以通过分束器发射粒子,这样它就可以左右移动。物理学家说粒子是左右“堆叠”的。

但是你从来没有观察到叠加的粒子。对于这样的叠加状态,波函数不会告诉你将测量什么,你只能预测你的测量结果的概率。假设它预测50%的概率向左,50%的概率向右。这种预测对一组粒子或一系列重复测量是有意义的,但对单个粒子则没有意义。探测器要么发出咔嗒声,要么不发出咔嗒声。

从数学上来说,“点击与否”要求我们在测量时改变它的波函数,这样在测量后,粒子100%存在于实际测量它的探测器中。

量子力学不可能是自然界运行的最基本的规则。我们必须超越它。

这种变化(也称为波函数的“崩溃”)是瞬时的,并且在任何地方同时发生。这似乎与爱因斯坦的光速相冲突,光速是信息传输速度的极限。然而,观察者不能用它来比光更快地传递信息,因为观察者不能控制测量结果。

事实上,测量更新的同时性不是主要问题。主要问题是,如果量子力学是大多数物理学家认为的基础理论,那么测量更新应该是多余的。毕竟,探测器也是由基本粒子组成的,所以我们应该能够计算出测量中发生了什么。

不幸的是,我们不仅不知道如何计算探测器被粒子撞击时的行为,除非我们只是假设测量会导致波函数的突然变化,更糟糕的是,我们知道这是不可能的。

我们知道,没有波函数的崩溃,就不可能正确地描述量子测量,因为测量过程比没有观察到波函数时的行为更复杂。测量过程的主要功能是消除可测量结果的重叠。相反,未被测量的波函数将处于叠加态,这根本不是我们观察到的结果。我们从未见过同时发出和不发出咔嗒声的探测器。

这在形式上意味着,尽管量子力学是线性的(保持叠加),但测量过程是“非线性的”,这属于比量子力学更复杂的理论。这是改进量子力学的重要线索,但几乎没有人注意到它。

相反,一些物理学家认为波函数不能描述单个粒子的行为,从而消除了量子测量的问题。他们认为波函数描述的不是粒子本身,而是观察者对粒子行为的理解。当我们进行测量时,这些知识应该更新。但是你不应该问这些知识是什么。

然而,这种解释不能消除这样一个问题:如果量子力学是基本的,那么我们应该能够计算出在测量过程中发生了什么。“观察者”获得的“知识”也应该适用于宏观对象,它们的行为至少在原则上应该可以从基本粒子的行为中推导出来。此外,我们知道这是不可能的,因为测量过程不是线性的。人们不能通过重新解释数学来解决这个矛盾,只能通过修正数学来解决。

一个可能的解决方案

解决这个难题只有两种方法。一是反对还原论,承认宏观对象的行为不能从其组成部分的行为中推导出来,即使在原则上也是如此。

拒绝还原论在哲学家中很流行,但在科学家中却很不受欢迎,这是有充分理由的。还原论取得了显著的成功,并被经验所证明。更重要的是,从来没有人提出过一致的、非还原论的自然理论。然而,如果没有更好的解释,放弃还原论不仅没有用,而且是反科学的。这无助于我们取得进展。

另一个合乎逻辑的解决方案是,量子力学不是一个基本理论,它只是更深层现实的一瞥。

如果量子力学不是一个基本理论,那么我们不能预测量子测量结果的唯一原因就是我们缺乏信息。因此,量子的随机性和骰子的随机性没有区别。

普遍相关性,这一概念的特征,并不出现在基本粒子的水平。

掷骰子的结果原则上是可以预测的。然而,它在实践中是不可预测的,因为它对最轻微的干扰非常敏感,例如你的手的精确运动,模具形状的缺陷,或其滚动表面的粗糙度。由于这是我们没有的信息(或者即使有,我们也无法计算),骰子的滚动在所有实际应用中都是随机的。我们最好的预测是,当我们平均未知和精确的细节时,两边的概率都是1/6。

这是理解量子力学的一种方式。测量结果原则上可以预测,但我们缺乏信息。波函数本身不是单个粒子的描述,测量结果只是一个平均值。这解释了为什么量子力学只做概率预测。虽然潜在的新理论可以复制量子力学的预测,如果我们有这个理论,我们也可以区分在什么情况下我们应该看到量子力学的偏差。

这一观点得到了以下事实的支持:描述波函数行为的经验确定性的方程几乎与物理学家描述大量粒子而不是单个粒子的行为所用的方程相同。

历史上,这种理解量子力学的方法被称为“隐藏变量理论”,其中“隐藏变量”是所有未知信息的集合。如果我们有了它,量子测量的结果将会被准确地预测。

物理学走上了错误的道路吗?

应该强调的是,隐藏变量理论不是量子力学的解释。它们是不同的理论。它们能更准确地描述自然,确实能解决测量问题。

不用说,我们不是第一个指出量子力学就像平均理论的人。当面对随机测量结果时,这可能是每个人都会想到的。从量子力学的早期开始,物理学家就开始考虑隐藏的变量。但是后来他们错误地认为这个选择是不可行的,这个错误今天仍然存在。

几十年前物理学家犯的错误是从约翰.贝尔在1964年证明的数学定理中得出错误的结论。这个定理表明,在任何隐含变量允许我们预测测量结果的理论中,测量结果之间的相关性都是有限度的。从那以后,无数的实验表明这个极限是可以打破的。由此,我们可以看出贝尔定理应用的隐变量理论是证伪的。物理学家已经得出结论,量子理论是正确的,而隐式变量理论是不正确的。

然而,贝尔定理提出了一个本身没有证据支持的假设:隐藏变量(不管它们是什么)与探测器的设置无关。这种被称为“统计独立性”的假设是合理的,只要实验只涉及大的物体,如药片、老鼠或癌细胞。然而,没有人知道量子粒子是否成立。

违背统计独立性的隐藏变量理论导致了超决定论。令人震惊的是,他们从未被排除在外。他们甚至从未进行过实验测试,因为这需要一种不同于物理学家迄今所做的实验。为了检验超决定论,人们必须寻找证据来证明量子物理并不像我们想象的那样随机。

超决定论的核心思想是宇宙中的一切都与其他一切相关,因为自然法则禁止某些粒子的配置。如果你有一个空的宇宙,放一个粒子进去,那么你就不能任意放其他粒子进去。他们必须首先服从某些关系。

这种普遍的相关性尤其意味着,如果你想测量一个量子粒子的性质,这个粒子永远不会独立于测量装置。这不是因为设备和粒子之间有任何相互作用。两者之间的依赖只是一种自然属性。然而,如果只关注宏观设备,这种相关性将不会被注意到。如果是这样的话,量子测量将会有确定的结果,所以在解决测量问题时将会违反贝尔的定界。

很难解释为什么物理学家花了半个世纪研究一个不一致的理论,却从未认真考虑统计独立性可能会失败。如果在量子实验中违反了统计独立性,那么对其具体后果的分析就很少了。如上所述,任何解决测量问题的理论都必须是非线性的,因此混沌动力学很可能发生。小变化产生大结果的可能性是混乱的迹象之一,但在关于隐藏变量的辩论中,它被完全忽视了。

低风险、高回报

鉴于量子力学的技术相关性,超越它将是一个重大的科学突破。然而,由于历史遗留的问题,已经研究或正在研究超决定论的研究人员要么被忽视,要么被嘲笑。因此,仍然很少有人关注这个想法。

由于缺乏研究,我们仍然没有普遍适用的超决定论。我们确实有一些模型为理解违反贝尔不等式提供了基础,但是没有一个理论像现有的量子力学理论那样灵活。尽管超决定论所做的一些预测在很大程度上与模型无关,但测量结果的随机分布应该小于量子力学中的随机分布,但这些预测并不是基于成熟的理论,因此很容易受到批评。

实验主义者甚至不想测试这个想法。然而,我们不可能偶然发现超决定论的证据。普遍相关性并不出现在基本粒子的水平上。因此,我们不认为用越来越大的粒子加速器探测越来越小的距离有助于解决悬而未决的基本问题。

今天,大多数物理学家被错误地告知测量问题已经解决,或者错误地认为隐藏的变量已经被排除,这对物理学的进步毫无用处。

原标题:没有人真正理解量子力学,包括你

标题:连著名的物理学家都不能真正理解量子力学,为什么?

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