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量子力学全局近似诠释小结

已有 1602 次阅读 2023-8-7 11:58 |个人分类:量子力学|系统分类:论文交流

量子力学全局近似诠释》暂时没有中文版,为了读者了解该书主要内容,本文做一个简单总结。本文列举的部分内容还没有在书中体现,为了理论的完整性,这里一并列出。这些内容以后也会更新到书的下一个版本中。

理论基础:

全局诠释的前提是基于标准模型的标准世界观,即标准模型中基本粒子和相互作用的物理图像。略做了抽象和扩展。认为基本粒子是基本相互作用的全局时空扰动模式,不是一般印象中的点粒子。认为不存在点粒子,只存在时空扰动。一些时空扰动模式可以独立存在,即成为一般概念中的基本粒子,或复合粒子。

基本相互作用很复杂,通过量子电动力学(QED)或量子色动力学(QCD)描述。相互作用是非线性的,有无穷阶复杂的模式。在原子分子,或实验室层次,基本相互作用只有电磁作用,即量子场论的低能部分。

除了上述前提,全局近似诠释(全局诠释)没有其它假设。

全局诠释不是一般意义下的诠释,因为之前所有的诠释都需要假设。全局诠释没有假设,而是根据标准世界观分析量子力学的数学公式体系(formulation)的物理意义。量子力学公式体系,是“shut up and calculate”中的“calculate”部分,也就是无争议部分。分析公式体系的物理图像是解释(explanation),而不是诠释(interpretation)。诠释带有主观属性,而解释只是从客观性质和基本逻辑出发,给出抽象或者复杂系统更直观的物理图像。


主要结论:

量子力学

是关于波的理论,量子电动力学的全局波动零阶近似解。是复杂相互作用在复杂背景辐射场和全局限制条件下,理想的(光速无穷),最低阶的(只有虚光子),本征电磁震荡模式集合。薛定谔方程给出这些本征模式。它放弃了相对论,假定了光速无穷大。在原子、分子、和固体晶格尺度上,是很好的近似。

不存在与经典物理和量子场论的鸿沟。只要把近似条件放回去,所有现象都可以直观理解。

相干建立

所有的量子属性(物理量的量子化,复杂干涉模式,量子纠缠等),都是是相干建立(coherencing)起来的,需要全局限制条件参与,比如很多同种原子间的共振。

量子全局模式的相干建立需要时间,需要反馈,需要相互作用。对于大尺度的过程,需要的时间相当可观,可以在实验中分辨,比如较长距离的量子纠缠(相干)。

相干建立过程是全局过程,基本相互作用的局域性被淹没在多次反馈的相干建立过程之中了。最后的状态与原始状态之间的因果关系和演化过程,在量子力学公式体系中无法体现。我们只能看到各种全局效应,即本征态之间的关系,而看不到相互作用和局域性。

薛定谔方程:

量子力学数学公式体系的核心方程,其来源和物理图像都不明确,需要诠释,但长期被忽略,非常奇怪。分析薛定谔方程的来源和物理意义,可以给出量子体系的直观物理图像。

薛定谔方程是哈密顿量(拉格朗日量,能量表达式)的算符形式,是恒等式,随时成立,不需要求解。但如果给定限制条件(边条件),我们可以得到一系列的分立波动模式,即系统的本征态。所以本征态是系统的属性,而不是量子的属性。薛定谔方程只能得到量子系统的性质,而不能得到其中量子(粒子)的性质。

它给出的是真实复杂相互作用中,满足全局限制条件的最低阶本征波动模式,并不是真实物理过程的全部。

形式上,它也是一个抽象的关于波的方程(波的扩散方程),可以理解为包含各种组分(频率)的波动充分扩散后,可以在系统中继续存在的组分(频率集),也就是相干不相消的那些频率。由于在实际物理体系中,相关的基本相互作用是电磁作用,因此它实际上是系统电磁波部分的抽象方程。得到的本征频率,就是体系的谱线。

薛定谔方程解出来波函数波幅的复数,反映了电磁波波幅的两个独立分量。波幅的模方反映了波的能量密度。

波粒二象性

波动性和粒子性是不相容的两种性质。波粒二象性不满足科学定义的清晰性要求。

一个全局波动可以触发一个局域事件,不能认为该事件是该波,或粒子,集中出现在该局域的结果。量子事件一般是通过量子隧穿发生的。环境中本来就有背景电磁辐射,额外的量子(波动)带来了额外的能量,在某一局域触发量子事件的可能性,与该量子的能量密度成正比,也就是波函数波幅的模方。

波粒二象性与全局诠释的实验差别在于,波粒二象性认为一个粒子只能触发一次以下的事件,全局诠释认为一个粒子可能触发不止一次局域事件。

一个粒子在全局条件下,产生了一个全局相干的波动,该波动同时控制了粒子的位置,但是无法探测,因为探测装置的信号强度远远大于粒子。改变了限制粒子的全局条件,也就改变了粒子本身的波动模式。该波动让粒子看起来像波。

相互作用测量

测量一定有相互作用。测量可以,也可以不,显著影响被测量客体的状态。对于微观量子系统,测量一般都会导致新全局条件的出现,从而测量到的性质与量子系统独立存在时的性质不一致。

全局诠释认为,所有的量子态都是所有相互作用在系统所在的势函数和边条件下建立起来的全局模式。测量也一样。根据测量装置与被测量客体相互作用的特点,可以分为两种极端情况。

第一种情况是,测量装置对客体的影响可以忽略,比如我们观察月球,以及各种经典测量。

第二种情况是,测量装置深度影响被观察的客体,甚至与客体共同作用,产生新的状态。比如我们观察原子在磁场中的行为,会发现原子本身被磁场影响了,产生能级分裂。

在量子,也就是微观尺度,第二种极端情况是普遍发生的。各种双缝干涉实验也应该同样理解。实验布置本身,形成了各种干涉条件,最终结果是整体实验干涉布置的反映。

量子纠缠

所有的贝尔实验只证明了存在相关,不能证明存在因果,或“纠缠”。量子纠缠是一个错误的词汇。量子纠缠现象是相互作用测量第二种情况的特殊体现。

以光子纠缠实验为例,全局诠释认为两边探测光子的偏振片有反光,造成“产生光子对”的级联辐射晶体顺着两边偏振片方向的光因为有反光加强而占优势,也就是探测行为产生了占优的两种方向偏振光。这一图像可以通过实验验证。

通过光纤连接的金刚石色心,会自然共振,即相干。

不确定关系

量子都是波,而波有不确定的位置和动量,其不确定程度满足一定关系,即不确定关系。

波函数的随机性

来自于量子波的能量密度分布及量子事件的隧穿发生机制。


全局诠释可以用符合直觉(经典物理)以及标准世界观(量子场论)的图像,解释所有奇怪的量子现象,如量子隧穿,光子,自旋,量子芝诺效应,零点能,真空涨落,不可克隆定理的适用性,等等,可以同时平滑衔接量子场论和经典理论,不存在无法理解的情况。


哲学意义:

量子理论的成功是其公式体系的成功,而公式体系的核心是薛定谔方程,但薛定谔本人对哥本哈根诠释提供的物理图像极度反感。爱因斯坦也持同样的观点。后来的贝尔实验被错误解读,量子理论早期的错误不但没有纠正,反而越来越向玄幻发展。

基于哥本哈根诠释的量子力学有很多问题:基本概念模糊、或不澄清(量子,普朗克能量量子概念),不满足科学概念的清晰性标准(波粒二象性),不可证实或证伪(波函数概率诠释,薛定谔猫),奇怪的概念(概率幅),没有充分理解实验(量子纠缠),非物理过程(哥本哈根测量),虚无论(不存在客观实在),等等。

这些错误的根源来自于还原论的认知哲学,即微观粒子一定是最基本的,最简单的,线性的。这是一个想当然的假定。标准模型告诉我们,即使在微观尺度,物理体系也是复杂的,非线性的,全局关联的。基于哥本哈根诠释的量子力学,试图简单地理解实际上复杂的物理过程,因而必然陷入迷茫。

现阶段,虽然量子没有明确的定义,或许也正因为没有明确定义,量子却是神秘、超能力的同义词。神秘、超能力这些概念本来与科学是不相容的。科学的目的就是为了探索未知,理解我们所在的世界。神秘论,玄学,长期大行其道,是因为当时人们的认知有限。

基于哥本哈根诠释的量子力学世界观中出现的神秘论,玄学,同样是当时人们认知有限的反映。玄学本身,又是很容易上头,成瘾,难以自拔的。虽然有很多严肃的科学家不接受哥本哈根诠释,甚至在很多教科书中,“哥本哈根”这个词汇都不出现,但是我们仍然需要一个科学直观的解释,让每个人理解量子力学。

可以说,全局诠释提供了这样一个解释。虽然还有一些细节需要完善,但主要的困难已经解决,如波粒二象性,量子纠缠,测量,等。这些图像还需要进一步的实验验证,但至少与所有的现有实验不矛盾。全局诠释也解释了哥本哈根诠释不能解释的物理现象,比如芝诺效应问题。

哥本哈根诠释带来的迷惑,可以算得上是人类科学史上一次令人难堪的错误。它提出的许多概念,如客观世界不存在,量子纠缠,等,被玄学、伪科学利用,而得到心灵感应,亲属针灸治病等有科学根据的说法。更糟糕的是被骗子们利用,炮制出大量以量子为名的传销产品。

量子力学中出现的各种奇怪(weirdness),说明科学理论必须遵从的基本原则,在量子力学基础研究中,被长期扭曲了。

全局诠释更正了哥本哈根诠释带来的认知困难。并在哲学层面得到了一些新的结论:

首先是客观实在性的恢复,纠正了客观世界不存在的虚无论。但是,并没有恢复到机械的绝对客观实在,而是从测量和认知,以及计算的角度,得到客观实在是相对的这一结论。基于认知的客观世界是相对的。它表现为物理测量存在误差,或者认知方法和认知主体存在不确定性等。

其次,从物质(即粒子)定义的标准世界观出发,我们可以推论,唯物主义与唯心主义是一回事。

再次,从存在客观实在出发,可以推论,未来是确定的。但从客观实在的相对性,以及计算方法的本质缺陷出发,我们可以推断,确定的未来只是部分可以预测的。即部分可知的确定论,或相对决定论。这与我们科学研究和日常生活中的实践是一致的。

全局诠释重新恢复和定义了客观实在,指出了虚无论和机械唯物决定论的问题,统一了唯物论与唯心论,把量子力学从玄学边缘拉回,回归为正规的科学理论。

对微观世界的认知是我们世界观、宇宙观中非常重要的一部分,或者说,是基础。这一认知的巨大变化必然引起相关研究和认知的变化。




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2 刘德力 周忠浩

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