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量子力学自洽性问题

已有 1197 次阅读 2022-7-24 12:28 |个人分类:量子力学|系统分类:科普集锦

上一篇文章中,我们提到,爱因斯坦认为量子力学(哥本哈根诠释)虽然不完备,但是是自洽的。一个理论要达到自洽是很容易的。但是,量子力学是否自洽呢?

2018年,Frauchiger和Renner [1]在nature上发文提出来一个思想实验,认为对于宏观(复杂)系统,量子力学的原则会导致不同的观察者对同一系统的测量会必然得到相反的结论。因此,至少对于复杂系统,量子力学是自相矛盾(不自洽)的。

一个理论,自洽是基本要求,但是自洽并不意味着理论反应了客观事实。对同样的世界,我们可以有各种理论,只要承认这些理论的前提,要达到自洽是很容易的。

比如神创说认为一切都是神创造的,具体哪一天怎么创造并不重要。但是即使坚持就是某一天以某种方式创造的,只要承认存在万能的神,世界一切问题都有自洽的答案。比如,为什么存在比创造那一天更早的东西?因为神就是创造了一个看起来早的物体。为什么世界上有很多奇怪的事情无法回答,因为神就是要创造神秘的东西。

量子力学中,波粒二象性概念本身就是自洽的。无论物理客体表现波的行为,还是粒子的行为,波粒二象性概念都可以回答。概率描述也是自洽的,因为无论事件发生不发生,以什么方式发生,都可以用概率描述,无论概率大小,都无法反驳。从这一角度来说,量子力学是自洽的。但这一自洽性建立在概念的模糊性上。概率描述本来就是模糊的,不确定的。

量子力学多宇宙诠释也是自洽的,只要承认它的前提,也就是分叉后的宇宙之间没有关联。这样,它虽然不可证实,也不可证伪,但是自洽。

如果用纯粹的量子理论描述薛定谔猫佯谬,我们会发现量子力学的测量坍缩和时间演化理论要么不自洽,要么与实验矛盾。量子态时间演化是量子力学公式体系的自然结论,测量坍缩是哥本哈根诠释额外引进的概念,对应到宏观态的不确定性是玻尔的观点。如果薛定谔猫佯谬的量子力学描述不自洽,不自洽的来源只能是测量坍缩概念。

自洽是很容易实现的,特别是可以修补,并且有前提。比如我们看到的所有虚构文艺作品,明明不是真实的,但是一般都是自洽的,或者很容易修改到自洽(不包括时间旅行等纯粹幻想情形)。

物理世界本身必然自洽,因此描述物理世界的理论至少必须是自洽的,但是自洽是必要条件,不是充分条件。一个自洽的理论并不一定准确描述了客观物理世界。

从文献[1]和我们对薛定谔猫佯谬的解读,我们可以知道,至少对于宏观体系,量子力学(哥本哈根诠释)是不自洽的。一个不自洽的理论,一定不是一个正确的理论。

所以,爱因斯坦对量子力学自洽性的评价,仅限于波粒二象性,概率性等基本描述。如果推广到宏观,则是不自洽的。

一个禁止质疑的理论更容易自洽。量子力学是所有科学理论中,唯一存在禁止质疑行为的理论。费曼说的:“我相信世界上没有一个人懂量子力学,如果一个人说他懂,正好说明了他不懂”。我相信费曼说这句话只是为了开玩笑,因为他也说过:“It does not do harm to a mystery to know a litter about it”,“There is no authority who decides what is a good idea.”,也就是他并不认可神秘和权威。但是有人以这句话为由,排斥对哥本哈根诠释的讨论,用猎巫的手段对待探索量子理论基础的努力。对量子的不同理解,将严重威胁已经拥有庞大参与人员的量子信息工业,因此猎巫的需求强大,但这将严重阻碍科学本身的发展。

全局近似诠释下的量子力学是自洽的。

[1] Frauchiger, D., Renner, R. Quantum theory cannot consistently describe the use of itself.                    Nat Commun 9, 3711 (2018)




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2 王安良 曾纪晴

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