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事實與邏輯

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  • 2015-12-18 10:57

【基礎科研】談量子力學(一)

我一直以簡明易懂爲原則來寫稿,畢竟我所談的話題本身都已經是很複雜的現象,必須加以濃縮簡化才能說得清楚。不過那些有關社會人群的事,一般讀者至少還有直覺性的經驗;量子力學則不衹是極爲專業,而且極爲反直覺(Counter-Intuitive),不是下過多年苦工的人不太可能真正瞭解它的精微細緻之處,所以原本我沒有計劃要談。不過昨天有讀者要求,我又自忖一輩子所學的很多很雜,卻不是教書的,沒有弟子可傳,自己的兒子對這些研究也基本沒有興趣,等我年老癡呆了,這些思想也將隨腦力的衰退而湮沒,似乎有點可惜,所以不自量力,在這裏談談我對量子力學的理解。如果不是物理系出身的讀者,請自由忽略,不必強讀。

量子力學的核心是它的波動方程式,這是一個普通的微分方程,如何定量地求解是理工科出身的人都應該學過的。真正要懂量子力學的涵義,難點在於如何定性地將量子力學的計算與現實的觀察聯係起來。大家都知道量子波的平方代表著機率密度,如果反復做同一個實驗,測量結果會成隨機分佈(但是量子力學不是擲骰子;擲骰子是古典的隨機事件,量子現象除了所有的測量值都有可能出現之外,還有測量值之間的相干,參見下面的雙縫實驗)。但是粒子還是粒子,如果衹專注在一個粒子上,測量後就衹能有一個定值,那麽與它對應的量子波必然也在測量過程中被改變而集中在這個定值上。量子力學的祖師們對這個現象的哲學解釋有不同的理解;很不幸的,因爲哲學解釋不能由實驗取決,最後勝出并主導後來教科書内容的是當時身份地位最高的Niels Bohr所鼓吹的量子波崩潰論(Wave Function Collapse);因爲Bohr是柯本哈根學派的宗師,所以也叫作柯本哈根解釋(Copenhagen Interpretation)。它的邏輯漏洞不止困擾了後世無數的理工科學生,而且還衍生了所謂“New Age”的僞科學。

拿雙縫實驗爲例子,一束粒子照射到開了兩條平行縫隙的障礙上,會在其後的墻上產生一系列的干涉條紋。在這個例子裏,粒子撞墻的位置,是“外界測量”的物理量。如果衹用一顆粒子,自然衹會有一個碰撞點,但是這個點出現的機率分佈正是前面所説的干涉條紋。古典粒子即使是隨機的,也衹會在兩條平行縫隙後方各產生一個條紋。

量子波崩潰論說在受到“外界測量”後,量子波隨之崩潰,這個崩潰的過程是立即而且不受波動方程式主導的。這個説法不但肆意强加了一個超越波動方程式的人工成分,而且連定義都無法自圓其説:什麽算是外界?什麽才算是測量?測量是否代表著心智?那麽一切現象是否植根於唯心認知?一個很明顯很簡單的物理現象,一下子變成了絕對唯心論的根據,這在邏輯上實在牽扯得太遠了。但是物理學者也是人,他們也有社會慣性,雖然正確的解讀從一開始就有人明白,但還是一直拖到1980年代,高能物理界才緩慢地開始承認量子波崩潰論是不合邏輯也沒有必要的。那時推動新的量子去相干(Quantum Decoherence)看法的,就包括在哈佛教量子場論的Sidney Coleman;他很得意地在他的辦公室解釋給我聽時,當時很年輕的我不識相地說這是理所當然的,他也就理所當然地不高興。

量子去相干論說沒有所謂的外界,測量儀器和被測量的粒子都屬於同一個整體的量子波(其實整個宇宙都在同一個量子波裏),儀器與粒子間的作用在於打破不同測量值之間的相干關係(事實上可以説,所謂的測量儀器,本身就是專門設計來打破不同測量值之間的相干關係的機制),這一般是靠儀器所含的極大數量的凝態原子來吸走被測量的粒子的量子不確定性,其結果是粒子表現得如同一個古典的骰子。但是整個過程中量子波的變化在時間上是連續的,始終遵守著波動方程式,衹不過在粒子與儀器碰撞后,它的量子波的尖峰有了明顯的分離。以薛定格的貓(Schrodinger's Cat)爲例,當我們打開箱子時,貓的量子波并沒有崩潰,衹不過是在開箱之前已經分離爲生與死的兩個尖峰。而且由於貓和毒氣機制所含的原子很多,又是在凝態,這個分離早在箱子裏的量子糾結粒子接觸到毒氣機制以決定是否觸發毒氣的時候就已發生。如同所有古典的隨機事件一樣,現實必須擇一發生。柯本哈根解釋中又是生又是死的貓就從來不存在;不論箱子外面有沒有觀察者,它始終衹能或是生或是死。

很不幸的,等到物理界把量子去相干搞清楚時,已經是超弦即將席捲高能物理的前夕,所以更進一步的解釋就走上了歧路。

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  • 作者:王孟源

引用

迴響(13)

# re: 【基礎科研】談量子力學(一)
Quantum Decoherence 將wave function 轉變為古典的Density matrix. 可是仍舊沒有解決量測後particle 塌陷為一個點的問題. 這一直是我長年搞不清楚的地方. 能否詳細介紹?
particle 塌陷為一個點就是選擇Density Matrix中的一個Diagonal Entry。當然,因爲位置是連續值,Density Matrix有無限維。

我會在下一篇再解釋一次。
# re: 【基礎科研】談量子力學(一)
王先生真乃博学也,我辈也就满足于看懂双缝干涉了。马克思唯物主义在大陆倒是人人都学,可惜是知易行难。

师者,所以传道授业解惑也。事实逻辑的道贯穿始终,一篇又一篇的博文授业,对每条留言的回复解惑。不是教书先生,而是名副其实的师者。

日后定有佩金龟者,为先生解之换酒。
美國人有句話:“Those who can, do; those who can't, teach.”亦即“能者做,不能者教。”我算是非常不能的吧。

你真的讀懂了嗎?我非常希望能讓非物理學者也能至少看懂這個系列的第一篇。
# re: 【基礎科研】談量子力學(一)
受觀測後的量子疊加態塌陷是新時代很愛的現象 完全表現出思維不流於俗莫測高深 “已經分離爲生與死的兩個尖峰” 貓是在哪個尖峰有物理量可以測量得知嗎 我不是物理系的
“量子疊加態塌陷”是柯本哈根解釋的毛病,不是量子力學本身的問題。它引發New Age的那些胡扯,就已經使Bohr成爲科學界的罪人了。

貓是在哪個尖峰有很多物理量可測量啊,例如它不同肢體的動量。
# re: 【基礎科研】談量子力學(一)
水龍頭關小,水就逐漸由水流變水滴。河床上的巨石,平時水流都是繞過,但山洪來時石頭會被沖走。然而水本身的微觀性質都沒什麼大變化。大家也習以為常,怎麼到了量子力學就變得如此深奧,是語言限制了思維嗎?
不衹是語言。

我們和演化過程中的祖先,生活中的所有經驗都衹需要巨觀的古典力學來描述。量子力學多出的那一項,本身就很複雜,我們又沒有直覺的經驗來幫助;就好像昆蟲可以看到紫外綫,我們卻看不到,要想像昆蟲眼中的花園自然是非常困難的過程。我花了幾十年來想這件事,用了六段文字來描述,但是沒有基礎的讀者還是不可能一下子就意想出花園的紫外綫影像。
# re: 【基礎科研】談量子力學(一)
关于生物意识的物理本质,您怎么看?
和很多物理現象類似,是大數目前提下極度複雜性(Complexity)的產物,不過沒有其他的直接關係。
# re: 【基礎科研】談量子力學(一)
請問您本文所提的內容與量子力學中的測不準原理是否是同一件事情?
不是。測不準原理是任何波動的自然結果,所以我在文中衹提了量子波。
# re: 【基礎科研】談量子力學(一)
我感觉自己是读懂一点点,至于是假懂还是真懂,还请王老师打开盖子帮我看看,哈哈。

双缝干涉涉及到波粒二象性,而量子理论中粒子之间也相互作用影响,所以古典概率不能解释它。

量子波崩溃论就有点将科学哲学化了,类似王守仁的不是风动,不是帆动,仁者心动。

去相干论就是说实验仪器的作用,将粒子之间的相互影响降为零,从而使所有粒子都到波峰那儿,也就是薛定鄂猫的或生或死,而不是半生半死。

这就是我的理解,还有些理解实在是写不出来。第一篇理解好了也好期待王老师的后续篇章,还请王老师指正一番。
不錯了。你若不是物理系出身,能懂到這裏已經很難得了。
# re: 【基礎科研】談量子力學(一)
您何不出書呢?
還在考慮之中。
# re: 【基礎科研】談量子力學(一)
有吧友推荐了相关科普读物《新量子世界》 The New Quantum Universe 感兴趣的请猛戳http://vdisk.weibo.com/s/uIhzIYmOMZUzx
# re: 【基礎科研】談量子力學(一)
我也是物理本科的,但讀不通,只能勉強讀完。畢業後,死心不息,買了些現代物理的入門書看,希望找到失敗原因。

我最頭痛的是狹義相對論和量子力學兩科,我想原因如下:
1. 中學讀物理時,自己不自覺接受了時間絕對這個概念,而這個概念在日常生活中不斷驗證,於是下意識把這概念接受為普遍真理。到學狹義相對論時,拿這個時間概念去理解相對論,當然只能頭痛。(如果當時老師能夠叫我把舊概念放在課室門口,不要帶入去,相信學習會比較好。)

2. 量子力學也是類似問題。一向認為所有量都是連續的,讀到能階,很自然便會問兩個能階之間是什麼?另一個麻煩概念,是被觀測物體和觀測儀器的關系。一向都認為是無關的,這樣,當然不接受在量子力學中兩者互相影響的概念了。(王先生用” 測量儀器和被測量的粒子都屬於同一個整體的量子波” 來解釋,是我看過的書中最簡單易懂的講法。)

我看的物理書中,很多時作者推崇老子這句話: “道可道,非常道;名可名,非常名”。妨礙我們學習新概念的,是我們頭腦中的已有的概念(和語言),真是很對。

放下古典物理的概念去接受現代物理的新概念,應該是正確做法。但是,這樣做出現一個新問題: 對古典物理概念,我們可以先用生活經驗檢測,然後接受。但一如王先生所說,”量子力學則不衹是極爲專業,而且極爲反直覺”。如此,對現代物理,我們便只能信了,因為我們的生活經驗全不管用。這樣,這和我們接受宗教迷信”這是唯一真神,一切都是神的安排” 多庅相似。現代物理和宗教迷信,玄學的界綫在那里? 想不通。
界綫在於邏輯。不管這些理論原本是如何地反直覺,如果用邏輯爲向導,日子久了也就能習以爲常。不過這當然是專業人士的特權;非專業的衹能小心選擇哪一個專家值得信任。
# re: 【基礎科研】談量子力學(一)
I totally didn't understand any of these writings of yours, but still felt excited by these discussions among bright minds...
I think your son is still too young to understand and show interest in your kingdom of knowledge...give a few more years, maybe?
He is a people person, more interested in partying than thinking. He probably will live a happier life than I do though.
# re: 【基礎科研】談量子力學(一)
拜讀王先生的文章,都讓我受益匪淺。
想請問,薛丁格的貓中,毒藥裝置和貓處在量子纏結,而打開箱子就是量子去相干的過程。這樣理解對否?
那是以往量子波崩潰論的説法,它是錯誤的。實際上,當處在量子纏結的粒子接觸到毒氣機制以決定是否釋放毒氣時,就已經被去相干,而成爲純粹的古典隨機事件。
# re: 【基礎科研】談量子力學(一)
今日頭條上刊載的2篇文章,提供參考
量子力学的困境与出路——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感
http://www.toutiao.com/a6432445965295616257/
'
一篇真正值得大家“细嚼慢咽”的物理好文——温伯格《量子力学的困境》
http://www.toutiao.com/i6432250244011917825/
我很高興他終於不再繼續在超弦這條邪路上走下去,而開始思考一些真正有意義的物理問題。他所提的話題,正是我在這篇正文裏所討論的。

在高能物理過去40年所面臨的無可逾越大沙漠阻攔之下,一個忙著出論文的學者,不論天賦多强、功力多深,必然會被各種細節所迷惑,因而有見樹不見林的困境。我自己也是離開物理界之後,才有了足夠的高度和距離,能夠真正看清大勢(Big Picture)。

Weinberg在得Nobel獎之後,就離開哈佛,到德州大學自立門戶,因此不再有和Coleman交流的機會,錯失了80年代末期,Harvard物理系對量子力學背後哲學問題的一些深刻探討。然後爲了建立並加强自己團隊在高能物理界的地位,拼命跟著超弦詐騙集團一起出論文。現在他可能是半退休了,才有餘裕回歸正道。

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