爭鳴：量子測量仍然是一個問題_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-09-22 12:33
撰文 | Sean M. Carroll
翻譯 | 一二三
解決這個問題的嘗試已經催生了一系列定義明確的理論。在它們之間做出選擇可能對基礎物理學的進展至關重要。
當我們進行量子測量時，到底發生了什麼？大體上來説這就是量子測量問題。有一些樂觀的人，如David Mermin（見doi:10.1063/PT.3.5027，《量子測量問題是一個問題嗎？》），認為不存在測量問題，但那是因為他們認為自己知道這個問題的答案。不幸的是，儘管歷經了近一個世紀的努力，目前還沒有一個解決方案被大多數物理學家所接受。最公平的做法是承認測量問題仍然存在。
教科書式的量子理論不可否認的在經驗上的成功，使測量問題的尷尬更加突顯。根據這種處理方法，量子系統是用波函數描述的。波函數的演化遵從薛定諤方程，至少在系統未被觀測時是如此。在測量時，波函數坍縮為觀測量的一個本徵態。
教科書式的量子力學可以處理各種各樣的數據，但它顯然不是最終的答案。它太模糊了，而且定義不清，算不上嚴格的物理理論。究竟什麼是“測量”？什麼樣的系統能進行測量，以及測量究竟何時發生？測量儀器和觀察者本身是量子系統嗎？測量是否揭示了一個預先存在的現實，還是它本身造就了世界的存在？
任何一個關於量子力學基礎的可信方案 ，都必須對這些問題提供明確的回答。
多線出擊
問題並不在於沒有可信的解決方案，而在於有幾條合理的路線可以選擇，但所有這些都有明顯的缺點。特別是，每一種方法似乎都要求我們對世界的傳統直觀進行重大革新。也許這是可以預見的——量子力學與經典力學有深刻的不同——但對於哪些革新是值得的，哪些是太過不着邊際不值一試的，人們意見不一。
從玻爾（Niels Bohr）和海森堡（Werner Heisenberg）那裏繼承來的一種策略是，將測量作為核心，而不是一個惱人的技術性問題。分析的關注點不是物理世界本身，而是其中的一組主體，以及這些主體所積累的經驗和知識。這種方法被稱為認識論意義上的（epsitemic），因為波函數並不代表物理實在，而只是一種追蹤主體對物理實在認識的工具。哥本哈根詮釋屬於這一類，就像Mermin所贊成的量子貝葉斯方法一樣（見Mermin的評論，doi:10.1063/PT.3.1618）。
物理學不是關於客觀實在的，而是關於主體經驗的，這無疑是一個巨大的轉變。這似乎與科學的總體進展背道而馳，因為科學已經將人類從萬物運行的中心角色上開除了。更本質的是，人們可能仍會喜歡一個關於物理世界的嚴格的數學定義，以及在這一定義下主體是什麼。但是，也許這種觀念上的徹底改變正是量子力學對我們的要求。
然而，這並不是唯一的選擇。第二種策略是假設波函數完全且準確地表徵現實——一種本體論（ontic）的而非認識論的角色。在電子通過雙縫時，電子的波函數會與自身發生干涉，這種行為似乎是物理實體的特性，而不是知識表象的特性。就此而言，像材料的一些性質，比如固態，被解釋為原子波函數的能量；同樣地，這是一個非常“物理實體”的屬性。
可是，當我們測量量子系統的屬性時，我們觀測到的並不是波函數。我們觀測到的是待測量的具體數值。正是這一點啓發量子先驅們以不同方式的思考。如果世界就是波函數本身，我們如何解釋這一特徵呢？
生活在疊加態中
本體論策略的一個激進版本是，直接抹去所有教科書版量子力學中與觀測有關的規則。從形式體系中完全刪除測量，接受波函數完全描述現實，並堅持認為它所做的一切就是服從薛定諤方程。從這些假設中，我們發現測量儀器不會使被測系統狀態坍縮；相反，它與被測系統糾纏在一起。當一個電子的自旋被測量時，整體波函數的一個分量將電子描述為自旋向上，觀察者也將其測量為自旋向上，而對另一個分量也是如此——自旋向下。如果我們不加質疑地採納薛定諤方程，那麼這兩種分量都將繼續存在。
這種觀點的問題是，我們從來沒有“感覺”到我們處於疊加態；根據經驗，我們報告的是確定的測量結果。多世界詮釋創立者休·埃弗雷特（Hugh Everett）提出的解決方案是，我們可以將波函數的不同組成部分作為不同的、不相互作用的世界。現代退相干理論在其上添磚加瓦，解釋了某一個世界是如何被選擇出來的，以及為什麼不同世界之間從不相互作用。
無疑，問題仍然存在。該如何導出玻恩規則——出現某一個實驗結果的概率由其振幅平方給出——如果每個結果都在某一分支中發生？在一個更哲學的層面上，我們是否真的準備接受存在無數個我們自己的副本，生活在略有不同的世界裏嗎？這種方法從形而上學上來説是富有戲劇性的，就像先前的把主體放在物理學理論中心一樣。
還有另一種策略也是可能的——仍然接受波函數完全代表現實，但否認它總是服從薛定諤方程，並且將真正的坍縮引入動力學。這不需要引入測量，而是允許這種坍縮自發發生（每個粒子在單位時間內都有一個突然坍縮的概率），或被觸發（當波函數的分支變得足夠不同時坍縮發生）。無論哪種情況，坍縮都被認為是真正隨機的，其發生頻率滿足玻恩規則。
實際上，這些客觀坍縮是對埃弗雷特方法中隱含的額外世界的剔除。與此同時，對薛定諤方程的決定論之美施以隨機性的暴力，這顯得有些刻意為之，對波函數坍縮至哪裏的選取也面臨同樣問題。好消息是，這樣的修改是可以通過實驗來檢驗的，儘管這些實驗通常涉及到將大量粒子保持在相干疊加狀態。
隱變量
最後一個策略可被認為是一箇中間策略：同意波函數是現實的一部分，但不是全部，也不是我們進行測量時看到的那部分。在這種觀點中，我們看到了粒子，不僅因為其波函數，也因為粒子是作為獨立實體存在的。這些額外的 自由度被稱為隱變量，儘管它們就是我們所觀察到的東西。波函數作為一個 “導航波”，引導粒子進入正確的位置以進行測量。這種引導是一種非局域效應，由此該理論與貝爾定理兼容。德布羅意（Louis de Broglie）先提出了這一方法，並且得到了大衞·玻姆（David Bohm）和約翰·貝爾（John Bell）的支持。（編者注：參見《玻姆力學——教科書之外的量子理論》）
因此，有許多不同的方法來解決量子測量問題。所有這些不同方法都是合理並定義明確的物理理論（還有一些在這裏沒有篇幅提及）。但最終，他們對實驗結果的預測似乎是相同的，或相當接近。我們應該關心這些方法嗎？
是的，我們應該關心，因為物理學還沒有完成。正如理查德·費曼（Richard Feynman）所指出的，理論可以在形式上等同但在“心理”上不同。當我們試圖構建更全面的大統一理論、量子引力和層展時空理論時，我們所提出的想法可能會受到我們對量子力學基礎態度的強烈影響。在一種方法中似乎不值一提的問題在另一種方法中可能值得強烈關注。
此外，我們確定這些方法在實驗上是等同的嗎？我自己的觀點是，這些理論還沒有發展完全，而且我們還沒有投入足夠的精力來理解它們，所以不能確定。只有準確瞭解這些選項是什麼，以及它們如何與物理學的其他部分結合起來，我們才能確定。可能有一些我們未曾設想的新實驗可以區分它們。而這正是物理學的全部意義所在。
作者簡介
Sean Carroll，美國理論物理學家，目前是約翰斯·霍普金斯大學自然哲學Homewood教授和聖塔菲研究所分形學院教授。Carroll主要研究方向是量子力學的基礎、場論、引力和宇宙學，以及複雜性等。他也是一位高產的作者，著有教材《時空與幾何》（Spacetime and Geometry：An Introduction to General Relativity），科普圖書《從永恆到此刻》（From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time），《大圖景》（The Big Picture On the Origins of Life, Meaning, and the Universe Itself），《隱藏的宇宙》（Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime）等。
本文經美國物理聯合會（AIP）授權翻譯發表於《返樸》（FanPu），原文譯自Sean Carroll, Addressing the quantum measurement problem；Physics Today 75, 7, 62 (2022);https://doi.org/10.1063/PT.3.5046
Reproduced from [Sean Carroll, “Addressing the quantum measurement problem”, Physics Today 75, 7, 62 (2022), https://doi.org/10.1063/PT.3.5046], with the permission of the American Institute of Physics.
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