量子力学论：量子力学的物理解释与哲学观点

量子力学论：量子力学的物理解释与哲学观点
题注：
题目有点大，这是我自然辩证法课的结业论文，这篇文章大多是借鉴，偶有自己的想法。

通过写这篇文章我纠正了几个观念。

（比如，波函数，测不准原理这些仿佛已是量子力学固定概念的东西实际只是哥本哈根学派的一家之说。

）留在这里，算是留个纪念吧。

有机会我再琢磨琢磨最后提到的几种新颖的解释。

量子力学的物理解释与哲学观点
杨晨光
摘要
量子力学的物理解释与哲学观点的讨论是二十世纪物理学与哲学界的一项重大课题，在这个问题上也诞生众多学派。

本文以电子波粒二相性实验的物理解释为切入点，介绍量子力学的主要学派，并分析各个学派的核心思想、哲学内涵以及所存在的缺陷与逻辑悖论。

一.介绍
二十世纪物理学乃至整个科学领域最伟大的两项成就无疑就是：相对论与量子力学。

在两者创立至今的100余年的时间里，量子力学较之相对论更深刻的影响与改变我们的生活。

而量子力学自身的物理解释与哲学观点更是给二十世纪的物理学界与哲学界带来了前所未有的冲击与震动。

当我们站在二十一世纪回首100
年里发展的量子力学时，我们依旧对它感到困惑。

历史上围绕量子力学的物理解释与哲学观点，一直存在严重的分歧与激烈的争论。

争论主要集中在：波函数的意义，测不准原理，主观与客观的关系等。

历史与当今主要解释有哥本哈根学派，多世界解释（Many Worlds Interpretation, MWI，又称退相干理论），隐变量理论，系综解释。

二.基本问题
量子力学一个重要的现象就是物质的波动性与粒子性
关于波粒二相性，有一个经典的电子波粒二相性实验。

阴极管发出的电子在通过双缝干涉后产生相间的干涉条纹，表现出波动性；而当我们在双缝中的一个后装上探测器以期探测到到底有多少个电子通过左缝，多少个电子通过右缝时，电子的干涉效应消失了，只是表现出粒子性。

从观察者角度来说，仿佛电子有了意识，它能够识别出缝后是否有探测计，而相应的表现出粒子性与波动性。

三.量子力学各个学派
对于上述基本问题以及引申问题的物理解释与哲学意义，一直是物理学界与哲学界争论的焦点。

1.哥本哈根学派
在近百年的思维碰撞中，诞生了数个学派。

其中最著名，影响最大的当属由玻尔，海森堡等创立的哥本哈根学派。

其主要的观点是：
1）一个由微粒构成的物理系统的状态，由服从薛定谔方程的波函数Ψ表示，粒子出现的概率为|Ψi|2。

一般可以把波函数Ψ展开成一系列本征态：Ψ＝∑Ciφi，
粒子处于某本征态的概率为|Ci|2如果φi、φj是系统的两个本征态，那它们的线性叠加也是系统的一个状态，这就是波恩的概率解释；
2）一个微观粒子的某些物理量（如位置和动量，或方位角与动量矩，还有时间和能量等），不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大，测量一对共轭量的误差的乘积必然大于常数h/2π （h是普朗克常数），这就是海森堡的不确定原理；
3）波与粒子在同一时刻是互斥的，但它们却在一个更高的层次上统一在一起，作为电子的两面被纳入一个整体概念中，这就是玻尔的互补原理。

对于电子波粒二相性的实验，当采用任其自然的观测方式，让电子不受干扰的在空间中传播，电子的波动性就占了上风，它以某种方式同时穿过两道狭缝，自身与自身发生干涉，波函数按严格的干涉图形展开。

但当我们采用一种完全不同的观测方式，探求电子到底从哪一条狭缝穿过时，电子的波函数瞬间“坍缩”为某一本征态，粒子性表现出来，按照波函数的概率随机出现在屏幕的某个地方。

哥本哈根思想推广来看，物质在我们未观测时表现出的一种处于全空间弥散开的波函数叠加态，而当我们观测时，波函数瞬间“坍缩”到某一本征态。

而在这一坍缩过程中意识起到了决定性的作用。

这仿佛有了主观唯心主义的端倪。

当深究哥本哈根学派的思想，我们会发现其中充斥着实用论的色彩。

在哥本哈根思想中，撇开观测方式谈论任何物理量都是无意义的。

对于我们无法观测的物理量，采取了“鸵鸟政策”，避免了唯心主义的尴尬。

2.多世界理论
多世界解释是由休•埃弗莱特创立的。

它的创立意在解决哥本哈根学派中存在的不和谐的“坍缩”。

它的主要观点是，“真实的，完全的”宇宙矢量存在与一个非常高维（可能无限维）的希尔伯特空间中，而这个高维空间却由许许多多的低维“世界”构成，每个世界都只能感受到那个“真实”宇宙矢量在其中的投影。

通俗的说，我们不去观察电子状态，电子的波函数相干叠加而表现出干涉特性。

当我们观测电子出现在干涉的左缝还是右缝时，我们无疑破坏了整个波函数的相干性，宇宙“分裂”成了“左世界”与“右世界”两部分，处于“左世界”的我们观测到的电子出现在左缝，处于“右世界”的我们观测到的电子出现在右缝，而实际上，电子依然是波函数的相干叠加态，只是在我们的世界观察到的是电子波函数的一个投影而已。

从中推演出一个著名的“量子自杀”的思维实验，当实验者把枪口对准自己的脑袋，而把扳机交给电子时（电子出现在左狭缝带动扳机，电子出现在右狭缝无影响），实验者自身会发现，电子始终出现在右狭缝，因为每次电子出现在左狭缝的那个平行世界的实验者都已经死了，从实验者的角度来看，电子出现在右狭缝成了必然事件。

这的确是一件令人啼笑皆非的事情。

3.隐变量理论
为了使量子现象得到经典的实在与定域的物理解释，玻姆与贝尔创立了隐变量理论。

隐变量理论的核心是量子现象的经典解释，用实在的（非波粒二相性的）观点解释。

以电子为例，基本思想是，电子依然是粒子化的电子，而其周围弥散开了量子势形式的波函数，这个电子所带有的量子势以电子为中心延伸到宇宙的每一个角落，当我们改变观察手段时，必然对电子的量子势造成了扰动，从而改变电子的空间状态。

然而，隐变量理论在保留住了实在性的同时无可避免的抛弃了定域性（即光速不可超越，亦即因果论）。

量子势的扰动必然要求要在瞬间传达到电子旁边改变电子状态，这种瞬间传达必然要是超光速的，著名的EPR实验，证明了这一点。

4.系综解释
系综解释是一种功利而实用主义的看法，是把量子论看作是一种纯统计的理论：它无法对单个系统做出任何预测，它所推导出来的一切结果，都是一个统计上的概念。

也就是说：在量子论看来，我们的世界不存在什么“单个”的事件，每一个预测，都只可能是平均式的，针对“整个集合”的，这也就是“系综解释”一词的来源。

态矢量只代表系统的系综。

具体到双缝干涉，并非一个单独的电子同时处于左和右两个态，而只是经典概率上指出它有50％的概率出现在左边，有50％的概率出现在右边罢了。

系综解释是一种非常保守和现实主义的解释，它保留了现有量子论的全部数学形式。

但在哲学领域，它却试图逃避那些形而上的探讨，用划定理论适用界限这样的方法把自己封闭在一个刀枪不入的外壳中。

如果我们采用系综解释，从纯理论上来讲，我们的确解决了所有的问题；但这似乎有点自欺欺人的味道，把没有弄清楚的问题划为“没有意义”也许是方便的，但的确是这样的问题使得科学变得迷人。

四.总结
除了上述的四种学派外，还存在诸如自发定域理论（GRW），退相干历史（DH），多精神解释，量子逻辑，交易模型等等对于量子论的理解。

1997年在马里兰大学巴尔的摩郡分校，召开一次量子力学研讨会，其间做了一
次问卷调查，统计他们究竟相信哪一种关于量子论的解释。

结果是：哥本哈根解释13票，多宇宙8票，玻姆的隐变量4票，退相干历史4票，自发定域理论1票，还有18票说还没想好或是这之外的解释。

到了1999年，在剑桥牛津研究所的一次量子力学研讨会上，作了一次类似调查，结果是哥本哈根解释4票，修订过的动力学理论（包括GRW）4票，玻姆2票，而MWI与DH加起来得到了令人惊奇的30票，但更让人惊奇的是有50票承认自己无法抉择。

必须相信，在关于量子论的物理解释与哲学意义探索的道路上，我们还有很长的路要走。

我们也应该有信心最终会得到量子论最为科学与合理的物理解释与哲学意义。