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概率的烦恼:量子贝叶斯拯救薛定谔的猫 附录 量子力学的四种其他解释
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自从1926年量子力学被发现,已经出现了一打对它物理意义的诠释,并且每一个都有众多的变种。由于这些解释都和理论的实际应用没有关系,所以它们大部分都没法在实验上证实或者证伪。因此它们几乎都没有退出这个想法“市场”,还不时地受到关注和欢迎。量子贝叶斯理论大概是最激进的一个。以往的那些解释都是在量子力学可接受的数学定理的基础上增加上层的理论构造,而量子贝叶斯理论不同,它通过修改理论的基本要素的意义而挖掘它们的本质,如概率、确定性和测量等。
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下面我们按受欢迎程度列举现在最主要的四种诠释,受欢迎程度是通过非正式的(没有科学意义)物理学家的投票决定的[1]。
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哥本哈根解释
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这个解释的名字来自位于哥本哈根的尼尔斯·玻尔研究所。那里是正统的量子力学诞生的地方,玻尔和海森堡在其中做出了主要的贡献,当然也有其他人的功劳。
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量子贝叶斯理论保留了哥本哈根解释中的很多要素,但也有区别。
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量子系统可观测的特性被共同地称为它的量子态。而量子态通常用波函数或者等价矩阵来描述。一般情况下,波函数包含虚数,例如-1的根号。从波函数出发,概率(0和1之间的实数)可以通过标准的规则(玻恩定则)得到。这个概率指的是实验上观测或测量结果的可能性。
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一次测量以某种方式引起最初的波函数塌缩到新的态,对应着实验的真实测量结果。重复同样的实验,可以得到随机的不同结果,并且它们有不同的出现频率,就像重复掷骰子一样。
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虽然保留了同样的数学结构,量子贝叶斯理论和哥本哈根解释的区别在于它对波函数、概率以及塌缩的解释。量子贝叶斯者眼中一个特定系统的波函数并不是人人都一样的或者独立于观测者的,而是取决于每一个代理人自己。它依赖于每一个代理人的知识、经验,因此是主观的。量子贝叶斯者从波函数得到的概率是主观化的贝叶斯的置信度,而不是客观的或者频率论的。波函数塌缩并不是一个物理过程——由于实验引发的态的变化——而是知道新的信息之后通过贝叶斯定理对概率的重新估值。
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多世界诠释
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避免波函数塌缩问题的最直接方法就是消除塌缩。这一釜底抽薪的方式最近几年赢得了很多的追随者。多世界诠释假设宇宙整体是一个波函数,它平稳地演化并且可被预言。在一个实验中波函数并不塌缩。相反,整个宇宙的波函数分裂为多个分支,分支的个数取决于可能测量结果的个数。观测者只知道其中一个结果,并且会继续生活在那个分支。因此,宇宙连续的分离称为巨大的多重宇宙,这些宇宙之间不能相互交流,每一个可能的结果都会在这些不同种类的某个真实宇宙中发生。
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这一诠释的主要反对意见在于它对我们想象力过高的要求。更技术的问题在于它不能对分支的原因做出说明,以及很难证实从整个宇宙波函数得到特定事件的概率规则。
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导航波或导向场诠释
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电动力学和广义相对论等场论上的成功也启发了一些物理学家。他们喜欢从量子力学广为接受的数学结构出发,试图将它重新写成一个新的格式,其中爱因斯坦有段时间也热衷这种想法。这一过程会产生一个表达式,它就像真实的力场一样以一种决定性的、可预测的方式控制粒子的运动。这种场和电磁场以及引力场相似但截然不同。当包含多个粒子(如N个粒子)时,这一“量子力”的意象就会出现问题。这一情况下的场并不是存在于我们熟悉的三维空间,而是在抽象的3N维空间。然而传统的哥本哈根解释的波函数也有这种类似的性质,这就降低了导向场直观上的吸引力。更大的问题在于导向场明显是非定域的,就像牛顿引力一样。导航波诠释的修改版本不断地被提出讨论,以使它和狭义相对论相容,并且包含自旋。
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自发塌缩理论
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因为这类模型在传统的量子力学构架中加入了完全新的机制,所以它们应该被称为理论而非诠释。这样看来,塌缩是自然的事件,而不需要观测者诱发。它们都是自发发生的,但很难出现,所以并不会影响个别的小的量子系统的相互作用。然而当量子系统和一个大的经典的测量仪器发生相互作用时,这种效应被放大以至于整个波函数引起塌缩。这类模型的缺点也正在于它引入的自发塌缩机制,它的本质也是未经解释的随机事件,虽然它是被设计为取代哥本哈根解释中的观察者诱发塌缩,但是两者同样神秘。
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[1]Adapted from Hans C.von Baeyer,“Quantum Weirdness?It’s All in Your Mind”,Scientific America 308,no.6(2013)
:47.
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概率的烦恼:量子贝叶斯拯救薛定谔的猫 后记
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首先对克里斯,我要致以最深的谢意,是他让我知道了量子贝叶斯理论,在无形中激励着我写下这本书。在与马库斯·阿普尔比和大卫·梅尔明的谈话与通信中,我们就量子贝叶斯理论进行辩论,希望本书准确表达了他们的观点。对本书耐心做出评论的读者有:罗伊·尚皮翁(Roy Champion)、德克·杜森贝尔(Deke Dusinberre)、亚瑟·埃森克拉夫特(Arthur Eisenkraft)、唐·雷蒙斯(Don Lemons)、汤姆·布鲁威特(Tom Brewwitt)以及我的兄弟卡尔·冯·贝耶尔(Karl Von Baeyer)。如果没有妻子芭芭拉·威特金森(Barbara Watkinson)和女儿玛德琳·冯·贝耶尔(Madelynn Von Baeyer)的鼓励和支持,这本书也不可能完成。与二女儿莉莉·冯·贝耶尔画本书示意图的合作,总是很愉快。对所有这些人,我发自内心地表示感激。
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