标准诠释——整体观下的量子力学

Standard Interpretation— A Holistic view of Quantum Mechanics

(注:本文是《量子力学全局近似诠释(标准诠释)》一文的简洁主线版。有新讨论)

摘要

量子力学自建立以来,争议不断,其中较激烈的争议包括量子化(物理量不连续),波函数几率解释,波粒二象性(无法明确定义),测量的不连续性,宏观叠加性(薛定谔猫),非定域性(EPR,Bell实验,量子纠缠),无法理解,唯心论与虚无论,量子通讯与量子计算,等等。本文将说明,从我们对基本粒子和相互作用的理解出发,在整体论视角下审视量子力学的数学表达体系,可以完全诠释量子力学,对各种争议问题给出符合人类直觉认知的解答,并给出相应实验证据或者证明方案。

背景

现在很多量子力学教科书,以及科普材料,趋向于向读者说明,量子力学和相对论一样,虽然无法理解,却是经过了无可辩驳的实验证明的,成熟的理论。对量子力学的理解虽然有很多种,但是最“正确”的是哥本哈根诠释。量子力学让我们了解了微观世界,并且带来了20世纪的多种技术革命。

但是很遗憾,量子力学的基础并不牢靠。量子力学在应用上取得了巨大的成功,并不意味着我们已经解决了量子力学的基础问题。这些没有解决的遗留问题,如果当成不存在,可能会让我们在未来的研究探索中迷失方向,走错路。解决量子力学基础问题,主要是哥本哈根诠释问题,一直是物理学家们们应该做的。

量子力学主要是关于微观世界的理论,当然应该包括基本的相互作用和基本粒子,比如原子中的电子与原子核如何作用,电子是什么,光子是什么,等等。量子力学建立,以及玻尔、海森堡等人建立哥本哈根诠释的时候,我们对基本粒子和相互作用的了解还很少,因此,量子力学基础中,不包含我们对基本粒子和相互作用的了解。后来物理学家们做出了极大的努力,并且基本搞清楚了这些基础内容。显然,一个完善的量子力学理论,至少应该纳入这些了解。

量子力学的全局性

至少在传统的量子力学教科书中,并没有强调量子力学是一套全局理论,但是没有人能否定量子力学的全局性。全局性的重要性和深远影响没有得到足够的重视。相反,人们仍然从常识的局域角度理解量子现象。这是“没人懂量子力学”的原因之一。

微分形式的量子力学方程,薛定谔方程,是一个全局方程,它需要全空间的信息,才能给出方程的解,也就是量子的波函数。由于量子就是波函数,所以所有的量子,也就是量子力学讨论的所有客体,都是全局的。波粒二象性,薛定谔方程,波函数的定义,决定了任何一个量子的影响遍及全空间,同时以概率的形式出现在全空间。

薛定谔本人并没有说明薛定谔方程的推导过程,所以在哥本哈根学派的理论体系中,薛定谔方程是一个假设。但在流传的薛定谔方程推导中,首先假定了量子是一列理想平面波:

[公式]

找到能量与动量对应的算符表达式,

[公式]

再带入经典粒子能量表达式:

[公式]

从而得到薛定谔方程:

[公式]

虽然我们一直把薛定谔方程叫做量子的波动方程,它的数学形式却是量子波动的扩散方程。

最开始在量子的平面波假定中,量子已经是全局的。薛定谔方程也是全局的,因为势函数是全局的,解方程时需要的边界条件也是全局的。

从微观角度看,量子力学应该讨论的是基本粒子的相互作用,但在薛定谔方程中,粒子是一个全局的波函数,相互作用隐含在势函数里了,并且忽略了相互作用的传播时间,也就是假定了相互作用传播速度无限。薛定谔方程不包含相互作用。

量子力学中,薛定谔方程是讨论量子动力学行为(能量与动量)的唯一方程。薛定谔方程是全局的,说明量子力学中,所有的客体,甚至所有概念都是全局的(除了具体的位置坐标)。

全局性的影响

量子力学理论框架的全局性有很多深远的影响。这些影响在传统量子理论中,没有提及,反而希望通过用波粒二象性,对应原理,测量坍缩概念等予以规避,以解决与常识和经典物理的矛盾。

这些影响包括:

量子化:是的,量子化是量子力学全局性的结果。因为全局模式,即束缚系统的本征态,是分立的,各态的物理量,如能量、角动量等,是离散的,不能连续取值。只考虑初末全局态的情况下,从一个态到另一个态的变化也是不连续的。在原子分子情形,表现为分立的能级和谱线。这也是普朗克能量量子化的实际原因,不需要假定。

基本粒子量子化属性:我们知道,全局性导致量子化。如果发现某些物理量出现了量子化,反过来可以推断,应该是某种全局效应。比如电子的自旋。它可能是在相互作用中体现出来的属性,和其它量子化的能量、角动量一样,是一个全局性质,而不是“内秉属性”,也就是,单独的电子不一定有自旋。实验表明,电子几乎完美地圆,可以认为是独立电子没有自旋的间接证据。

全局相干:从初始薛定谔方程推导的假定(物质波为理想平面波),到薛定谔方程的解法(解出空间部分后加上一个随机的相因子波动项),都可以知道,量子态都是全局理想相干的。如果可以对一个量子态做多次测量,或者测量多个相同的量子,一定得到处处相干的结论。可以设计量子路径模式,形成特殊的干涉模式,如双缝干涉,延迟选择,等。所有的相干,也就是相关,都是瞬时,超距的。

全局因果:量子力学的全局性,意味着只能从全局的角度讨论因果性。通常我们说的因果律来自狭义相对论,也就是局域性原理,指一个事件,或者变化,只能影响本地,对周围的影响不超过相互作用的传播速度,也就是光速。量子力学已经假定了相互作用传播速度无穷大,所以影响瞬时扩散到全空间。所有的变化都是瞬时全局的。任何一点的变化,比如边条件的变化,导致全空间波函数瞬时变化到新的本征态。局域的因瞬时导致全局的果,而不是根据相对论的局域性原理,局域的因产生的果受到相互作用传播速度的限制。

有了全局因果的概念,我们就很容易理解双缝干涉,延迟选择等实验现象。某一局部的变化将导致全局相干条件变化,从而引起整体干涉模式的变化。

量子纠缠也一样。量子纠缠也是量子态,其因果也是全局因果。测量设定的变化,将导致纠缠态整体的改变。

同样我们也可以理解,为什么量子纠缠不能传递信息。因为信息通讯必须明确存在一个点到另一个点的局域因果联系。由于量子只存在全局因果,不存在局域因果(相互作用因果),因此量子不可以用来通讯。单个量子,或者相同量子的系综,只存在相干,不存在因果。

全局效应:我们通常说的量子体系,即原子分子结构与光谱,需要考虑到全局的环境。这样的物理体系,只有电磁相互作用,表观物理现象是全局的(光谱),作用环境是全局的(共振和热环境,即辐射和电磁振荡环境)。所谓的原子分子线光谱,并不需要理解为能级到能级之间的光子发射,而更应该理解为全谱辐射中的一些分立共振峰。

近似性的影响

非相对论近似:薛定谔方程假定了相互作用传播速度无限大,对于电磁现象,相当于光速无穷大。这就是我们常说的非相对论近似。

近似掉了什么?量子力学的非相对论近似导致量子全局性波函数的建立不需要时间,局域因果变成了全局因果。那么什么信息在近似中失去了呢?真实的相互作用传播速度是有限的,稳定全局模式的建立需要一个过程,需要时间,还可能经过多次反馈迭代。非相对论近似把这一过程近似掉了。量子态建立过程近似掉之后,所有的微观过程如何发生,也就是相互作用机制,自然也就近似掉了。真实的相互作用也从理论中消失了,近似为一个唯象的全局势函数。薛定谔方程就变成了一个剥离了实际相互作用的抽象方程。得到的解,即量子波函数,也自然成为了抽象的(虚拟的,没有物理量纲)。

近似的影响:非相对论近似,近似掉了量子态的建立过程,也包括量子态的变化过程。量子从一个量子态到另一个量子态的变化不需要时间,即波函数坍缩。量子力学的测量不需要时间,因为微观过程近似掉了,没有相互作用,因此只剩下坍缩的概率。所以,哥本哈根诠释中的测量概念,波函数坍缩概念,测量的概率性,测量中物理量的不连续性,都来自量子态建立过程被近似掉。

近似的有效性:在大多数情况下,非相对论近似是有效的,因为通常我们说的微观尺度,即原子分子尺度,都是电磁过程,光速很大,尺度很小,量子态的建立几乎瞬时完成( [公式] 秒,阿秒量级),几乎无法察觉,通常也不需要关心量子态的建立过程。

但是,对于长距离量子纠缠这样的例子,量子态的建立过程就可观了。需要在足够长的时间内,保证系统的相干性,纠缠态才能有效建立。

量子与经典的界限:全局量子态是否有足够的条件(相干性,时间,干扰,等等)建立,是区别全局量子态与局域经典体系的关键。经典波动同样可以建立全局本征振动模式。稳定的全局经典波动,与量子波在效应上没有区别(量子化,干涉,隧道效应,等,参考油滴实验)。量子体系是在一定范围内,比较稳定的全局相干波动,经典体系是可以进行局域因果分析的,尚未建立,或者不能建立全局相干的系统。一般的微观体系,呈现接近理想的量子效应,而宏观体系相反。微观体系的电磁作用显著,主导物理效应是各种电磁波。宏观物理体系只有在等离子体情形,电磁波才很重要,一般的气体和凝聚态,由于电中性,导致主要电磁效应很微弱,声波因而成为主要的波动振荡模式。除了声学过程,也没有其它的全局波动模式,各种性质(质量,电荷,温度,等)局域化,即成为了经典体系。

量子退相干自然发生,能否建立接近理想的全局模式,由体系的物理性质决定,并不需要额外引进干扰。

全局近似诠释

考虑了量子力学全局性和近似性的诠释,就是全局近似诠释。它也可以称为标准诠释,因为考虑了我们对基本粒子和相互作用的了解,也就是标准模型。

全局近似诠释(标准诠释)考虑了量子力学的非相对论后果,纳入相对论,也就是基本相互作用的性质之后,哥本哈根诠释难以理解的各种现象,如概率诠释,非局域性,测量问题,全部可以直觉理解。

全局近似诠释还考虑了更多的全局效应,比如光子的定义问题,原子分子所处的电磁环境和共振问题,测量的相互作用定义问题。由此,为哥本哈根诠释带来的哲学困境提供了一套符合常识,并且能够弥合不同出发点世界观之间矛盾的哲学体系。

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