科學網：量子力學後哥本哈根時代（劉全慧的博客）

量子力學後哥本哈根時代

劉全慧

關鍵詞:量子力學，哥本哈根解釋，波包塌縮

0.物理學中的元過程或者元存在

宇宙起源於一個時空奇異點，夸克也必須存在。沒有大爆炸和夸克，就沒有現代物理。但是，時空奇異點的存在超越了我們已知的物理學，夸克也根本無法直接測量。所以可以認為這樣的存在就是元存在。

在電磁學中，點電荷、電磁勢等必須存在，否則無法建立電磁學的理論體系。但是，點電荷和電磁勢都無法直接測量。這個存在，也是一個元存在。在量子場論中，有裸粒子的概念，如果沒有裸粒子，就沒有電子，也就沒有物質世界。裸粒子不能直接觀測，就是一個元存在。

在熱力學中，內能、熵、自由能、吉布斯函數等等，必須存在，但是他們不能直接測量。這樣的物理量，描述的就是元存在。

量子力學的波函數給出了在任何時空間點的概率密度。但是，這個概率密度不能直接驗證，而是說，在任何時空間點上都存在概率密度，這也是一個元存在。

在現代物理中，虛過程必須存在，如果否定這些虛過程的存在，很多實過程也就成了空中樓閣。

在量子力學中，當在某個態上測量某個力學量時，將得到這個力學量的本徵值中的一個。測量之後，這個狀態將塌縮到這個力學量的本徵態上，即所謂的波包塌縮假設。這個波包塌縮，是對單次測量結果的斷言。有了斷言，單次測量才存在並且可以描述。但是，量子力學完全可以不需要這個單次測量。換言之，量子力學認為單次測量並不具有我們想像中的物理意義。這個單次測量過程就是一個元測量過程或者元過程。

在中文的量子力學教材中，尚沒有任何一本書上明確給出：對於「位置」這樣一個基本的力學量，不存在這樣的元測量。但是，歐美的物理系大學生，把這一點視為當然。這一點，非常難以想像。

元過程或者元存在，對於物理學來說到底是深刻的抽象，還是僅僅是理論上的一種方便手段?

1.量子力學教科書解釋

有一種量子力學解釋，可稱之為量子力學教科書解釋。我們通過教科書學習量子力學，很多人成了量子力學教科書解釋的叛徒。當然，有些叛徒其實是為了虛張聲勢，偽而已。信徒，叛徒，偽叛徒，都可以是成功的物理學家。

二十年前，郝柏林先生給中科院理論物理研究所學生作了一個報告，不經意隨口說出一句話：教科書，不過是要把故事編得圓一點。

不把故事編圓一點，學生不會接受。但是，故事編的太圓，壞處也很多!能通過一本教科書，把物理學講授得陰晴圓缺，變幻無窮，非常艱難。正如鄭偉謀先生所說，能把教課書上的故事講圓，對很多授課老師來說，就是高要求。

2.玻爾舊量子論與量子躍遷

玻爾的舊量子論，給量子力學留下了三大概念：1、定態條件(量子態概念)；2、頻率條件(量子躍遷)；3、對應原理。

在舊量子論中，量子躍遷指的是一個電子從一個能級往另一個能級跳。所以，在舊量子論中，量子躍遷是個元過程。

需要很大的掙脫能力，才能領悟出一個道理：作為一個一個元過程，量子力學並不需要量子躍遷！而在實際測量意義上，量子躍遷的確存在。類似於說，在量子力學中，測量是存在的，但是元測量可以不存在。溫伯格對這麼一個元測量就沒有任何好感。

3.波包塌縮是量子力學哥本哈根解釋的核心

量子力學的哥本哈根詮釋有五位神仙：玻爾，海森堡，泡利，狄拉克和馮諾依曼。玻爾的量子躍遷和波包塌縮之間，有必然的聯繫。狄拉克《量子力學原理》指出：「測量一定導致系統跳進被測力學量的一個本徵態…。」

這個跳躍(jump)很要命：它瞬間就完成了，或者這個過程很短以致不能由量子力學本身所描述。

這個跳躍，就是波包塌縮，波函數塌縮。這裡的塌縮(collapse)英文有時用約化(reduction)。約化這個詞比較好，塌縮看上去有些實際，而約化看上去是個數學手段。

【在海森堡和泡利的研究中，指出尼爾斯·玻爾設計了哥本哈根的解釋：1925年到1927年間，三名20世紀的物理學家——尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡和沃爾夫岡保利，設計了量子力學的哥本哈根解釋。通過它，原子水平的系統在測量之前沒有定義屬性。測量的行為影響了系統，並導致它選擇了一個各種可能的值後測量。這個特徵被稱為波函數崩潰。對量子力學的解釋仍然是量子力學的概念基礎，仍然是最著名的理論解釋。】

4.波函數塌縮彼之徶屐我之圭臬

去年冬天，一位外國科學院的院士回答了如下問題：「當一個電子從能級1向能級2躍遷時，為什麼是瞬間完成的?」先生回答：這是物理學唯象本性在量子力學中的一個反映。

今年夏天，一位中國科學院院院士對類似的問題嗤之以鼻。他說，他上大學的時候，也相信波包能縮，但很快就放棄了。中國大學的量子力學教學被哥本哈根解釋洗腦太嚴重了!

5.元過程與測量結果

從實際的角度看，波函數坍縮是一個完全多餘的概念。

幾個字的量子力學：在此時此地，有一個量子態，代入薛定諤方程或狄拉克方程中，讓這個量子態跑一會，則在彼時彼地會有一個量子態，在這個量子態上帶有這個系統的全部信息。需要測量任何力學量時，會看到一個分布。這個分布就是實際測量時所能獲得的全部知識。對於單粒子態，這個分布需要許多獨立的粒子一次性通過測量儀器(如施特恩－格拉赫實驗、盧瑟福散射等)，類似於統計系統；也可以讓粒子一個一個通過測量儀器(如雙縫實驗)，類似時間系綜。

那麼，讓粒子一個一個通過測量儀器的過程存在嗎?這個過程，在實際操作中是存在的，量子力學完全可以描敘這個過程。但是，這個描述不是理論意義上的單次測量。不懂這之間的差別，難入量子物理之門。

6.後哥本哈根時代

除了絕無僅有的一兩本最新出版的量子力學，波函數的波恩概率解釋和波包塌縮概念緊密相連。既然波包塌縮不是那麼必要，波函數的波恩概率解釋必須重新表述。這是溫伯格《量子力學講義》中特別定義波恩規則(Born rule)的原因。然而在數學上，波函數的波恩概率解釋和波恩規則的表達式一模一樣。奇怪吧，奇怪！物理學不能僅僅通過文字和符號來傳神！不懂這個道理，就不要學物理了。要不試試工程，或者化學材料學之類?

後哥本哈根時代並不意味著哥本哈根解釋已經過時，而是說，並不把哥本哈根解釋看得那麼神聖。就像，儘管不把愛因斯坦的看法看得那麼神聖，卻並不否定愛因斯坦觀點的意義一樣。

7.量子力學的一些概念

退相干，熱化，多世界解釋，…。還有一種曾經很流行做法如下：不引入波包塌縮假說，但是認為測量儀器是一個多自由度系統，而這個多自由度系統也滿足薛定諤方程。可以證明，當自由度的個數趨於無限時，測量的確使得純態變為混合態，結果和波恩規則相符。在溫伯格看來，這些探索都有其合理的成分，但是都靠不住！

注意，糾纏是量子力學的一部分，本身需要元思維。

8.物理學需要元思維

到目前為止，還沒有任何人對量子力學的元思維超出愛因斯坦，也沒有人超越玻爾。

愛、玻以來，對量子力學理論的研究主要局限於技術上的發展。一個方向是隱變數理論；另外一個方向是，在更深的層次上，態矢量由於受到非線性和本性上隨機因素的影響。二者都是為了說明目前量子力學的概率本性。

評論：

愛因斯坦與波爾就波、粒子混搭所展開的爭論是有積極意義的，但後來的繼承者迴避爭論，使得物理學纏上了「波函數」這個理論怪胎，導致了80年科學理論研究的沉寂。

大自然的客觀真實只可能是唯一的，科學探索是在荒漠、黑夜中求索，把一個尚未定論、邏輯模糊、先天不足的觀點當作理論主流，難免進入彎道。

科學觀測有它的極限，而這些元存在就躲在這極限的下面，但人類卻可以通過心智以抽象的數學方式去描述它。但抽象的方式對人類的理解來說終究是不完備的，所以必須給它賦形。

郭光燦和高山合著的《愛因斯坦的幽靈》一書明確指出：量子糾纏的非定域性質與洛淪茲不變性相矛盾，這要求在客觀上存在一個絕對參照系。

愛因斯坦關於理論和經驗關係的兩段話：

（1）「純粹的邏輯思維不能給我們任何關於經驗世界的知識；一切關於實在的知識，都是從經驗開始，又終結於經驗。」（《關於理論物理學的方法》，1933）

（2）「我們現在特別清楚地領會到，那些相信理論是從經驗歸納出來的理論家是多麼的錯誤呀，甚至偉大的牛頓也不能擺脫這種錯誤（"我不杜撰假說』）。」（《物理學和實在》，1936）

到目前為止，還沒有任何人對量子力學的元思維超出愛因斯坦，也沒有人超越玻爾。

宇宙起源於一個時空奇異點，夸克也必須存在。但是時空奇異點的存在超越了我們已知的物理學，夸克也根本無法直接測量。

質子、中子的夸克結構，是蓋爾曼受三聲鳥叫啟發，出於「基本粒子不基本，基本電荷非整數」的主觀臆斷。質子與電子簡併成中子，一正一負兩整數元電荷，怎就成了1e/3、2e/3的分數電荷呢? 中子衰變及一切核反應中都只有整數電荷放出；夸克的色與味都不是客觀實在；「夸克禁閉」這麼多年，人類竟然毫不懷疑！

質子、中子的電結構，不是象晶體那樣的空間點陣結構，是此處趨於電中和、彼處趨於電極化，瞬息萬變進行著，正常沒有電分離的動態結構。用未分清電極化邊界的動態官能團，來理解夸克還勉強可以。作為夸克間力傳遞者的膠子，又要用未分清電中性邊界的動態官能團來理解。哪裡有真正獨立的基本粒子夸克、膠子？

哈勃定律觀測沒問題，紅移測距演算法沒問題，多普勒效應沒問題，紅移測速演算法沒問題。但對退行速度的本質，理解出了根本性問題！這一根本性問題，附帶出「星系退行，宇宙膨脹，宇宙起源於原始大爆炸，宇宙加速膨脹，需要引進暗能量」一系列謬論！目前正主宰著全人類的認知，嚴重干擾人類正常思維，必須予以徹底糾正。