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量子测量问题是一个问题吗?

量子测量问题是量子力学发展过程中不可回避的一个问题,涉及到量子力学的本质,并且相关争论存在至今。物理学家各有不同观点,文本作者N. D. Mermin认为量子力学不存在测量问题:物理系统不存在“真实的”量子态,态取决于物理学家的选择和计算。当然,对于许多物理学家来说,对待量子力学诠释的态度是“Shut up and calculate!”有意思的是,这条总被安在费曼身上的名言,其实在书面上最早出于N. D. Mermin笔下。

 

撰文 | N. D. Mermin(康奈尔大学物理系荣休教授)

翻译 | 1/137

 

波函数坍缩是一个物理过程的观点源于对概率及其在量子力学中所起作用的误解。

——作者

 

量子物理学家分三种类型:(1) 认为量子力学被所谓的测量问题所破坏;(2) 像我一样,认为不存在测量问题;(3) 认为这个问题不值得严肃考虑。你可以在马克西米利安·施洛绍尔(Maximilian Schlosshauer)的《优雅与谜团》(Elegance and Enigma)一书的第七章中找到前两类的17位物理学家和哲学家的不同观点。

这三类中的大多数人都会同意如下的观点:量子力学借助于量子态(states)完全地描述物理系统;态是对系统中所有可能问题的所有可能答案的概率的纲领;量子力学本质上是统计的;没有更深层的理论能给出更为全面的描述。

赋予一个系统的态通过两种方式随时间变化。如果对一个系统不做任何测量[1],那么它的态就会随时间确定性地演化:连续地、按照给定的规则发展。如果对系统提出一个问题——称为进行一次测量——那么当系统做出应答时,这个态会不连续地变成某个态,它既取决于测量之前的态,也取决于系统对该测量的特定应答。第二个过程被称为态的塌缩 (collapse of the state)。(态的)塌缩通常是突然、不连续和随机的。

一个物理系统和另一进行特定测量的物理系统——一台测量装置 (apparatus)——可以被量子力学处理为单一的复合系统。如果不对它进行测量,那么对于赋予系统的态,量子力学给出确定性的时间演化。然而,如果反之,对整个复合系统进行测量的话,赋予复合系统的态决定了概率;这一概率将赋予原来系统的态给出的可能答案与指示这些可能答案的测量装置的态关联起来。这些关联概率就是量子力学对原来单独系统给出的概率。因此,就概率而言,将量子力学用于单独的原来的系统,还是用于原来的系统+(测量)装置的复合系统,并没有区别。

许多第(2)类中的物理学家会补充说:除了产生所有概率之外,量子态分配没有任何后果。虽然许多(也许是大多数)物理学家将概率视为世界的客观特征,但大多数概率学家或统计学家并不这么认为。正如著名的概率学家布鲁诺·德·费奈迪 (Bruno de Finetti) 在1931年所说的那样,“放弃关于燃素 (Phlogiston)、宇宙以太、绝对空间和时间……,或者仙女和女巫存在的迷信观念是通向科学思考道路上的重要一步。概率亦然,如果把它看作是某种客观存在的东西,那么这也同样是一种误导性的谬见,一种将我们实际的概率信念形象化 (exteriorize) 或物质化 (materialize) 的虚幻尝试”。

那些将其概率信念物质化的物理学家也必须物质化量子态,而后者不过是这些信息的编目罢了。但是,一个将概率视为个人判断的物理学家,必然会将他或她分配的量子态视为其自身判断的目录。本世纪之交,凯夫斯 (Carlton Caves)、福克斯 (Christopher Fuchs) 以及沙克 (Rudiger Schack) 强调,系统的量子态只表达将量子态赋予该系统的特定物理学家的信念,这是量子力学诠释的关键所在。

 

量子测量问题

测量问题源于审视测量的两种不同方式:系统本身,还是系统+测量装置。如果系统本身被测量,它的态就会塌缩。但是若不检查测量装置,那么复合的系统+测量装置的态并不塌缩。哪个描述是正确的?哪个是真实的态?

第(2)类中的物理学家给出的答案是,物理系统不存在真实的态。人们选择什么作为物理系统,以及给它分配什么态,都取决于对系统进行测量的特定物理学家的判断,他们使用量子力学计算答案的概率。

这种连续和随机时间演化之间的相互影响也是通常的经典概率的一个特征。当统计学家为关于系统问题的答案赋予概率时,这些概率随时间变化的规律是由孤立的、未经检测的系统其平稳时间演化规则给出的。但这些概率也取决于统计学家从任何其他来源获得的关于系统的进一步信息。概率的更新是经典过程中突变和不连续的部分。从来没有人担心过经典的测量问题。

如果量子态的全部内容就是它产生的概率的目录,那么每个使用量子力学的物理学家都扮演着统计学家的角色。某个物理学家获取进一步的信息——无论是通过读取测量仪器的显示,还是通过与其他物理学家的交流,或者仅仅是通过重新思考他已经掌握的知识——都可以导致这些概率的突然变化,并由此更新了(这名物理学家)用以表示它们的量子态。不存在量子测量问题。

第一类的物理学家用不同的方法处理他们的测量问题:

在他们的各方面都堪称上乘的量子力学著作中,朗道(Landau)和栗弗席兹(Lifshitz) 坚持认为量子力学不应被视为观察者观念上的工具。这导致他们宣称测量是量子和经典客体之间的相互作用。如何区分这两种类型——他们从来没有解释过——是他们 (未加说明) 的测量问题。

另一些人则通过引入一种特殊的物理噪声来排除观察者的存在,这种噪声只与包含宏观上多自由度的子系统发生显著的相互作用。这种特殊噪声被设计用来为客观态的客观塌缩提供一种物理机制。他们通过引入一种新的物理过程来解决测量问题。

还有一些人通过完全消除塌缩来移除每‍个物理学家的个人判断。他们用量子态来描述一个不可思议之大的持续分叉的宇宙(即多世界解释[2]),其中包含所有可能测量的所有可能结果。‍‍

这些解都认为量子态是它们所‍描述的物理系统的客观属性,而非每个量子力学个体使用者对这些物理系统做出的个人判断的目录。

 

使科学家“身在此山中”

[3]为什么我们必须客观地理解科学规律?科学是一种人类活动,其定律用人类的语言来表达。作为经验主义者,大多‍数科学家相信他们对世界的理解基于他们的个人经验。为什么要坚持我对科学的解释——我用来理解我所经验(?)的世界——永远不应提到我自己呢?“量子测量问‍题”‍的‍存在‍,要么没有解决,要么有许多不相容的解决方案,有力地证明了科学家的经验在理解量子理论中确实发挥着重要作用,正如同统计学家的经验在理解通常的概率论中发挥着重要作用一样。

许多物理学家驳斥了这一观点,他们认为,早在有物理学家之前,量子态就已经在早期宇宙中坍缩了。我想知道他们是否也相信,早在有统计学家之前,概率在早期宇宙中也被更新了。

玻尔(Niels Bohr)从未提及量子测量问题。最后,我用他的一句陈述来做总结,这句话简明扼要地表达了上述观点,即不存在这样的(量子测量)问题,只要其中两次出现的“我们”不被理解为我们所有人的集体,而是理解为我们每个人的个体:“我们描述自然的目的不是揭示现象的真正本质,而是尽可能地追踪我们经验的各方面之间的关系。”我相信,这个未经确认的第一人称复数的模糊性,是仍然困扰着量子力学诠释问题的诸多误解的背后原因。

 

进一步的资料

1. M. Schlosshauer, ed., Elegance and Enigma: The Quantum Interviews, Springer, 2011, Chap. 7.

2. B. De Finetti, Theory of Probability, Interscience, 1990, Preface. (Translation of Probabilismo, Logos 14 (Napoli) 163-219 (1931).)3. C. A. Fuchs and R. Schack, Quantum-Bayesian Coherence, Reviews of Modern Physics 85, 1693 (2013).4. N. D. Mermin, Making Better Sense of Quantum Mechanics, Reports on Progress in Physics, 82, 012002 (2019).5. N. Bohr, Atomic Theory and the Description of Nature, Cambridge U. Press, 1934, p. 18.

 

注释

[1] 原文为“If no question is asked of a system”。

[2] Many-worlds interpretation.[3] 原文为Keep the scientist in the science。

 

本文经作者N. D. Mermin授权翻译发表于《返朴》,译自arXiv:2206.10741,原标题为A note on the quantum measurement problem;原作者以“There is no quantum measurement problem”为题发表于Physics Today 75, 6, 62 (2022); https://doi.org/10.1063/PT.3.5027。

 



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