全球最資訊丨量子測(cè)量問題是一個(gè)問題嗎？

量子測(cè)量問題是量子力學(xué)發(fā)展過程中不可回避的一個(gè)問題，涉及到量子力學(xué)的本質(zhì)，并且相關(guān)爭(zhēng)論存在至今。物理學(xué)家各有不同觀點(diǎn)，文本作者N. D. Mermin認(rèn)為量子力學(xué)不存在測(cè)量問題：物理系統(tǒng)不存在“真實(shí)的”量子態(tài)，態(tài)取決于物理學(xué)家的選擇和計(jì)算。當(dāng)然，對(duì)于許多物理學(xué)家來說，對(duì)待量子力學(xué)詮釋的態(tài)度是“Shut up and calculate！”有意思的是，這條總被安在費(fèi)曼身上的名言，其實(shí)在書面上最早出于N. D. Mermin筆下。

撰文 | N. D. Mermin（康奈爾大學(xué)物理系榮休教授）

(相關(guān)資料圖)

翻譯 | 1/137

波函數(shù)坍縮是一個(gè)物理過程的觀點(diǎn)源于對(duì)概率及其在量子力學(xué)中所起作用的誤解。

——作者

量子物理學(xué)家分三種類型：(1) 認(rèn)為量子力學(xué)被所謂的測(cè)量問題所破壞；(2) 像我一樣，認(rèn)為不存在測(cè)量問題；(3) 認(rèn)為這個(gè)問題不值得嚴(yán)肅考慮。你可以在馬克西米利安·施洛紹爾（Maximilian Schlosshauer）的《優(yōu)雅與謎團(tuán)》（Elegance and Enigma）一書的第七章中找到前兩類的17位物理學(xué)家和哲學(xué)家的不同觀點(diǎn)。

這三類中的大多數(shù)人都會(huì)同意如下的觀點(diǎn):量子力學(xué)借助于量子態(tài)（states）完全地描述物理系統(tǒng)；態(tài)是對(duì)系統(tǒng)中所有可能問題的所有可能答案的概率的綱領(lǐng)；量子力學(xué)本質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)的；沒有更深層的理論能給出更為全面的描述。

賦予一個(gè)系統(tǒng)的態(tài)通過兩種方式隨時(shí)間變化。如果對(duì)一個(gè)系統(tǒng)不做任何測(cè)量[1]，那么它的態(tài)就會(huì)隨時(shí)間確定性地演化：連續(xù)地、按照給定的規(guī)則發(fā)展。如果對(duì)系統(tǒng)提出一個(gè)問題——稱為進(jìn)行一次測(cè)量——那么當(dāng)系統(tǒng)做出應(yīng)答時(shí)，這個(gè)態(tài)會(huì)不連續(xù)地變成某個(gè)態(tài)，它既取決于測(cè)量之前的態(tài)，也取決于系統(tǒng)對(duì)該測(cè)量的特定應(yīng)答。第二個(gè)過程被稱為態(tài)的塌縮 (collapse of the state)。（態(tài)的）塌縮通常是突然、不連續(xù)和隨機(jī)的。

一個(gè)物理系統(tǒng)和另一進(jìn)行特定測(cè)量的物理系統(tǒng)——一臺(tái)測(cè)量裝置 (apparatus)——可以被量子力學(xué)處理為單一的復(fù)合系統(tǒng)。如果不對(duì)它進(jìn)行測(cè)量，那么對(duì)于賦予系統(tǒng)的態(tài)，量子力學(xué)給出確定性的時(shí)間演化。然而，如果反之，對(duì)整個(gè)復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的話，賦予復(fù)合系統(tǒng)的態(tài)決定了概率；這一概率將賦予原來系統(tǒng)的態(tài)給出的可能答案與指示這些可能答案的測(cè)量裝置的態(tài)關(guān)聯(lián)起來。這些關(guān)聯(lián)概率就是量子力學(xué)對(duì)原來單獨(dú)系統(tǒng)給出的概率。因此，就概率而言，將量子力學(xué)用于單獨(dú)的原來的系統(tǒng)，還是用于原來的系統(tǒng)+（測(cè)量）裝置的復(fù)合系統(tǒng)，并沒有區(qū)別。

許多第（2）類中的物理學(xué)家會(huì)補(bǔ)充說：除了產(chǎn)生所有概率之外，量子態(tài)分配沒有任何后果。雖然許多（也許是大多數(shù)）物理學(xué)家將概率視為世界的客觀特征，但大多數(shù)概率學(xué)家或統(tǒng)計(jì)學(xué)家并不這么認(rèn)為。正如著名的概率學(xué)家布魯諾·德·費(fèi)奈迪 (Bruno de Finetti) 在1931年所說的那樣，“放棄關(guān)于燃素 (Phlogiston)、宇宙以太、絕對(duì)空間和時(shí)間……，或者仙女和女巫存在的迷信觀念是通向科學(xué)思考道路上的重要一步。概率亦然，如果把它看作是某種客觀存在的東西，那么這也同樣是一種誤導(dǎo)性的謬見，一種將我們實(shí)際的概率信念形象化 (exteriorize) 或物質(zhì)化 (materialize) 的虛幻嘗試”。

那些將其概率信念物質(zhì)化的物理學(xué)家也必須物質(zhì)化量子態(tài)，而后者不過是這些信息的編目罷了。但是，一個(gè)將概率視為個(gè)人判斷的物理學(xué)家，必然會(huì)將他或她分配的量子態(tài)視為其自身判斷的目錄。本世紀(jì)之交，凱夫斯 (Carlton Caves)、?？怂?(Christopher Fuchs) 以及沙克 (Rudiger Schack) 強(qiáng)調(diào)，系統(tǒng)的量子態(tài)只表達(dá)將量子態(tài)賦予該系統(tǒng)的特定物理學(xué)家的信念，這是量子力學(xué)詮釋的關(guān)鍵所在。

量子測(cè)量問題

測(cè)量問題源于審視測(cè)量的兩種不同方式：系統(tǒng)本身，還是系統(tǒng)+測(cè)量裝置。如果系統(tǒng)本身被測(cè)量，它的態(tài)就會(huì)塌縮。但是若不檢查測(cè)量裝置，那么復(fù)合的系統(tǒng)+測(cè)量裝置的態(tài)并不塌縮。哪個(gè)描述是正確的？哪個(gè)是真實(shí)的態(tài)？

第(2)類中的物理學(xué)家給出的答案是，物理系統(tǒng)不存在真實(shí)的態(tài)。人們選擇什么作為物理系統(tǒng)，以及給它分配什么態(tài)，都取決于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的特定物理學(xué)家的判斷，他們使用量子力學(xué)計(jì)算答案的概率。

這種連續(xù)和隨機(jī)時(shí)間演化之間的相互影響也是通常的經(jīng)典概率的一個(gè)特征。當(dāng)統(tǒng)計(jì)學(xué)家為關(guān)于系統(tǒng)問題的答案賦予概率時(shí)，這些概率隨時(shí)間變化的規(guī)律是由孤立的、未經(jīng)檢測(cè)的系統(tǒng)其平穩(wěn)時(shí)間演化規(guī)則給出的。但這些概率也取決于統(tǒng)計(jì)學(xué)家從任何其他來源獲得的關(guān)于系統(tǒng)的進(jìn)一步信息。概率的更新是經(jīng)典過程中突變和不連續(xù)的部分。從來沒有人擔(dān)心過經(jīng)典的測(cè)量問題。

如果量子態(tài)的全部?jī)?nèi)容就是它產(chǎn)生的概率的目錄，那么每個(gè)使用量子力學(xué)的物理學(xué)家都扮演著統(tǒng)計(jì)學(xué)家的角色。某個(gè)物理學(xué)家獲取進(jìn)一步的信息——無論是通過讀取測(cè)量?jī)x器的顯示，還是通過與其他物理學(xué)家的交流，或者僅僅是通過重新思考他已經(jīng)掌握的知識(shí)——都可以導(dǎo)致這些概率的突然變化，并由此更新了（這名物理學(xué)家）用以表示它們的量子態(tài)。不存在量子測(cè)量問題。

第一類的物理學(xué)家用不同的方法處理他們的測(cè)量問題：

在他們的各方面都堪稱上乘的量子力學(xué)著作中，朗道（Landau）和栗弗席茲（Lifshitz) 堅(jiān)持認(rèn)為量子力學(xué)不應(yīng)被視為觀察者觀念上的工具。這導(dǎo)致他們宣稱測(cè)量是量子和經(jīng)典客體之間的相互作用。如何區(qū)分這兩種類型——他們從來沒有解釋過——是他們 (未加說明) 的測(cè)量問題。

另一些人則通過引入一種特殊的物理噪聲來排除觀察者的存在，這種噪聲只與包含宏觀上多自由度的子系統(tǒng)發(fā)生顯著的相互作用。這種特殊噪聲被設(shè)計(jì)用來為客觀態(tài)的客觀塌縮提供一種物理機(jī)制。他們通過引入一種新的物理過程來解決測(cè)量問題。

還有一些人通過完全消除塌縮來移除每個(gè)物理學(xué)家的個(gè)人判斷。他們用量子態(tài)來描述一個(gè)不可思議之大的持續(xù)分叉的宇宙（即多世界解釋[2]），其中包含所有可能測(cè)量的所有可能結(jié)果。

這些解都認(rèn)為量子態(tài)是它們所描述的物理系統(tǒng)的客觀屬性，而非每個(gè)量子力學(xué)個(gè)體使用者對(duì)這些物理系統(tǒng)做出的個(gè)人判斷的目錄。

使科學(xué)家“身在此山中”[3]

為什么我們必須客觀地理解科學(xué)規(guī)律？科學(xué)是一種人類活動(dòng)，其定律用人類的語言來表達(dá)。作為經(jīng)驗(yàn)主義者，大多數(shù)科學(xué)家相信他們對(duì)世界的理解基于他們的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。為什么要堅(jiān)持我對(duì)科學(xué)的解釋——我用來理解我所經(jīng)驗(yàn)（？）的世界——永遠(yuǎn)不應(yīng)提到我自己呢？“量子測(cè)量問題”的存在，要么沒有解決，要么有許多不相容的解決方案，有力地證明了科學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)在理解量子理論中確實(shí)發(fā)揮著重要作用，正如同統(tǒng)計(jì)學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)在理解通常的概率論中發(fā)揮著重要作用一樣。

許多物理學(xué)家駁斥了這一觀點(diǎn)，他們認(rèn)為，早在有物理學(xué)家之前，量子態(tài)就已經(jīng)在早期宇宙中坍縮了。我想知道他們是否也相信，早在有統(tǒng)計(jì)學(xué)家之前，概率在早期宇宙中也被更新了。

玻爾（Niels Bohr）從未提及量子測(cè)量問題。最后，我用他的一句陳述來做總結(jié)，這句話簡(jiǎn)明扼要地表達(dá)了上述觀點(diǎn)，即不存在這樣的（量子測(cè)量）問題，只要其中兩次出現(xiàn)的“我們”不被理解為我們所有人的集體，而是理解為我們每個(gè)人的個(gè)體：“我們描述自然的目的不是揭示現(xiàn)象的真正本質(zhì)，而是盡可能地追蹤我們經(jīng)驗(yàn)的各方面之間的關(guān)系?！蔽蚁嘈?，這個(gè)未經(jīng)確認(rèn)的第一人稱復(fù)數(shù)的模糊性，是仍然困擾著量子力學(xué)詮釋問題的諸多誤解的背后原因。

進(jìn)一步的資料

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.

注釋

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

[2] Many-worlds interpretation.

[3] 原文為Keep the scientist in the science。

本文經(jīng)作者N. D. Mermin授權(quán)翻譯發(fā)表于《返樸》，譯自arXiv:2206.10741，原標(biāo)題為A note on the quantum measurement problem；原作者以“There is no quantum measurement problem”為題發(fā)表于Physics Today 75, 6, 62 (2022);https://doi.org/10.1063/PT.3.5027。

出品：科普中國-星空計(jì)劃

特 別 提 示

1. 進(jìn)入『返樸』微信公眾號(hào)底部菜單“精品專欄“，可查閱不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關(guān)注公眾號(hào)，回復(fù)四位數(shù)組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

版權(quán)說明：歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)，任何形式的媒體或機(jī)構(gòu)未經(jīng)授權(quán)，不得轉(zhuǎn)載和摘編。轉(zhuǎn)載授權(quán)請(qǐng)?jiān)凇阜禈恪刮⑿殴娞?hào)內(nèi)聯(lián)系后臺(tái)。

標(biāo)簽： 物理學(xué)家 量子力學(xué) 統(tǒng)計(jì)學(xué)家