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隐变量理论

量子力学的哥本哈根解释认为测量的动作造成了波函数坍缩,从而不可避免地在物理学中引入了“意识”与随机性的存在。这样的物理图景是自牛顿力学以来从未有过的,也自然会有科学家试图引入新的解释来恢复确定且符合因果关系的物理学。

对于隐变量理论最初的尝试来源于德布罗意。在1927年的第五次索尔维会议上,他将波函数视为一个处在粒子系统之外的描述,称为导波(pilot wave)[1],导波会时刻影响粒子的运动。量子效应表面上的随机性是由一些不可知的变量所造成的,而如果将这些隐藏的变量纳入考虑的范围,则整个系统就可以恢复确定性。1952年,玻姆发展了德布罗意的导波理论,他将后者理论中的“导波”替换成了“量子势”的概念。量子势以粒子为中心弥散在整个空间中,并对周围环境的改变做出探测,以此改变粒子的运动。

玻姆发展起来的非定域隐变量理论能够自洽地解释迄今为止的量子现象。但作为恢复物理学“实在性”的代价,隐变量理论放弃了定域性。定域性指不能存在超过光速传播的因果关系,但是玻姆理论中的量子势可以瞬间传回宇宙中任意一处的改变,这种量子超距作用被称为量子纠缠。

系综解释

玻恩对波函数的诠释指出,波函数的模方代表粒子在空间中该点出现的概率密度,系综解释正是基于这一点所提出的一种对量子力学的解释方法。同样在第五次索尔维会议上,爱因斯坦做的报告提到:若尝试将量子理论描述视为单独系统的完备描述,则这会导致不自然的理论诠释;反言之,若能接受这描述所提到的是很多系统组成的系综,而不是单独系统,则这尝试立刻会变得不必要[2]。系综解释与哥本哈根解释最大的不同在于,哥本哈根解释认为,任何一个单一态都是对单独系统所作出的完备的描述。而系综解释认为,波函数所描述的不是单个体系的状态,而是多个相同系统(即所谓的“系综”)的统计平均。每一个单一态所做出的预测都是平均的,针对整个粒子集合的。

相比于其他的解释,系综解释更像是一种关注技术的现实主义看法。它接受了量子力学的所有数学形式,但是以统计的方式回避了所有对量子力学中随机性的形而上的探讨。系综解释并不试图从任何决定性的概念出发,给出关于量子现象的内禀属性的说明,而只是一种对于量子态的诠释方法。

退相干历史

退相干历史假说是对哥本哈根解释的继承与发展,有时这种假说也被称为“一致性历史解释”。1984年,美国物理学家罗伯特·格里菲斯发起了一项研究计划,旨在为量子力学的研究提供理论与实验的一致性。这项研究计划最终在其他若干科学家的帮助下,产生了退相干历史解释[3]

退相干历史解释认为在微观现象中量子概率不具有经典概率的可加性,因为量子事件间存在互相的“干涉”,即量子事件的相干性。但在微观演变至宏观的现象中,由于体系的粒子数急剧增加,量子事件间的干涉项在对所有可能情况遍历累加后相消,这就是退相干的过程。通过这样的解释,退相干历史诠释更为清晰地展示了宏观现象的观测数据与量子现象之间的逻辑等价性。

  1. Rapport au 5e Conseil de Physique Solvay. Brussels, 1927.
  2. Einstein's Reply to Criticisms, Einstein: Philosopher-Scientist, ed. P.A. Schilpp (Harper & Row, New York)
  3. Griffiths, Robert B. Consistent quantum theory[M]. Cambridge, New York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-80349-6.