科学网:量子力学后哥本哈根时代(刘全慧的博客)

量子力学后哥本哈根时代

刘全慧

关键词:量子力学，哥本哈根解释，波包塌缩

0.物理学中的元过程或者元存在

宇宙起源于一个时空奇异点，夸克也必须存在。没有大爆炸和夸克，就没有现代物理。但是，时空奇异点的存在超越了我们已知的物理学，夸克也根本无法直接测量。所以可以认为这样的存在就是元存在。

在电磁学中，点电荷、电磁势等必须存在，否则无法建立电磁学的理论体系。但是，点电荷和电磁势都无法直接测量。这个存在，也是一个元存在。在量子场论中，有裸粒子的概念，如果没有裸粒子，就没有电子，也就没有物质世界。裸粒子不能直接观测，就是一个元存在。

在热力学中，内能、熵、自由能、吉布斯函数等等，必须存在，但是他们不能直接测量。这样的物理量，描述的就是元存在。

量子力学的波函数给出了在任何时空间点的概率密度。但是，这个概率密度不能直接验证，而是说，在任何时空间点上都存在概率密度，这也是一个元存在。

在现代物理中，虚过程必须存在，如果否定这些虚过程的存在，很多实过程也就成了空中楼阁。

在量子力学中，当在某个态上测量某个力学量时，将得到这个力学量的本征值中的一个。测量之后，这个状态将塌缩到这个力学量的本征态上，即所谓的波包塌缩假设。这个波包塌缩，是对单次测量结果的断言。有了断言，单次测量才存在并且可以描述。但是，量子力学完全可以不需要这个单次测量。换言之，量子力学认为单次测量并不具有我们想象中的物理意义。这个单次测量过程就是一个元测量过程或者元过程。

在中文的量子力学教材中，尚没有任何一本书上明确给出：对于“位置”这样一个基本的力学量，不存在这样的元测量。但是，欧美的物理系大学生，把这一点视为当然。这一点，非常难以想象。

元过程或者元存在，对于物理学来说到底是深刻的抽象，还是仅仅是理论上的一种方便手段?

1.量子力学教科书解释

有一种量子力学解释，可称之为量子力学教科书解释。我们通过教科书学习量子力学，很多人成了量子力学教科书解释的叛徒。当然，有些叛徒其实是为了虚张声势，伪而已。信徒，叛徒，伪叛徒，都可以是成功的物理学家。

二十年前，郝柏林先生给中科院理论物理研究所学生作了一个报告，不经意随口说出一句话：教科书，不过是要把故事编得圆一点。

不把故事编圆一点，学生不会接受。但是，故事编的太圆，坏处也很多! 能通过一本教科书，把物理学讲授得阴晴圆缺，变幻无穷，非常艰难。正如郑伟谋先生所说，能把教课书上的故事讲圆，对很多授课老师来说，就是高要求。

2.玻尔旧量子论与量子跃迁

玻尔的旧量子论，给量子力学留下了三大概念：1、定态条件(量子态概念)；2、频率条件(量子跃迁)；3、对应原理。

在旧量子论中，量子跃迁指的是一个电子从一个能级往另一个能级跳。所以，在旧量子论中，量子跃迁是个元过程。

需要很大的挣脱能力，才能领悟出一个道理：作为一个一个元过程，量子力学并不需要量子跃迁！而在实际测量意义上，量子跃迁的确存在。类似于说，在量子力学中，测量是存在的，但是元测量可以不存在。温伯格对这么一个元测量就没有任何好感。

3.波包塌缩是量子力学哥本哈根解释的核心

量子力学的哥本哈根诠释有五位神仙：玻尔，海森堡，泡利，狄拉克和冯诺依曼。玻尔的量子跃迁和波包塌缩之间，有必然的联系。狄拉克《量子力学原理》指出：“测量一定导致系统跳进被测力学量的一个本征态…。”

这个跳跃(jump)很要命：它瞬间就完成了，或者这个过程很短以致不能由量子力学本身所描述。

这个跳跃，就是波包塌缩，波函数塌缩。这里的塌缩(collapse)英文有时用约化(reduction)。约化这个词比较好，塌缩看上去有些实际，而约化看上去是个数学手段。

【在海森堡和泡利的研究中，指出尼尔斯·玻尔设计了哥本哈根的解释：1925年到1927年间，三名20世纪的物理学家——尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡和沃尔夫冈保利，设计了量子力学的哥本哈根解释。通过它，原子水平的系统在测量之前没有定义属性。测量的行为影响了系统，并导致它选择了一个各种可能的值后测量。这个特征被称为波函数崩溃。对量子力学的解释仍然是量子力学的概念基础，仍然是最著名的理论解释。】

4.波函数塌缩彼之徶屐我之圭臬

去年冬天，一位外国科学院的院士回答了如下问题：“当一个电子从能级1向能级2跃迁时，为什么是瞬间完成的?”先生回答：这是物理学唯象本性在量子力学中的一个反映。

今年夏天，一位中国科学院院院士对类似的问题嗤之以鼻。他说，他上大学的时候，也相信波包能缩，但很快就放弃了。中国大学的量子力学教学被哥本哈根解释洗脑太严重了!

5.元过程与测量结果

从实际的角度看，波函数坍缩是一个完全多余的概念。

几个字的量子力学：在此时此地，有一个量子态，代入薛定谔方程或狄拉克方程中，让这个量子态跑一会，则在彼时彼地会有一个量子态，在这个量子态上带有这个系统的全部信息。需要测量任何力学量时，会看到一个分布。这个分布就是实际测量时所能获得的全部知识。对于单粒子态，这个分布需要许多独立的粒子一次性通过测量仪器(如施特恩－格拉赫实验、卢瑟福散射等)，类似于统计系统；也可以让粒子一个一个通过测量仪器(如双缝实验)，类似时间系综。

那么，让粒子一个一个通过测量仪器的过程存在吗? 这个过程，在实际操作中是存在的，量子力学完全可以描叙这个过程。但是，这个描述不是理论意义上的单次测量。不懂这之间的差别，难入量子物理之门。

6.后哥本哈根时代

除了绝无仅有的一两本最新出版的量子力学，波函数的波恩概率解释和波包塌缩概念紧密相连。既然波包塌缩不是那么必要，波函数的波恩概率解释必须重新表述。这是温伯格《量子力学讲义》中特别定义波恩规则(Born rule)的原因。然而在数学上，波函数的波恩概率解释和波恩规则的表达式一模一样。奇怪吧，奇怪！物理学不能仅仅通过文字和符号来传神！不懂这个道理，就不要学物理了。要不试试工程，或者化学材料学之类?

后哥本哈根时代并不意味着哥本哈根解释已经过时，而是说，并不把哥本哈根解释看得那么神圣。就像，尽管不把爱因斯坦的看法看得那么神圣，却并不否定爱因斯坦观点的意义一样。

7.量子力学的一些概念

退相干，热化，多世界解释，…。还有一种曾经很流行做法如下：不引入波包塌缩假说，但是认为测量仪器是一个多自由度系统，而这个多自由度系统也满足薛定谔方程。可以证明，当自由度的个数趋于无限时，测量的确使得纯态变为混合态，结果和波恩规则相符。在温伯格看来，这些探索都有其合理的成分，但是都靠不住！

注意，纠缠是量子力学的一部分，本身需要元思维。

8.物理学需要元思维

到目前为止，还没有任何人对量子力学的元思维超出爱因斯坦，也没有人超越玻尔。

爱、玻以来，对量子力学理论的研究主要局限于技术上的发展。一个方向是隐变量理论；另外一个方向是，在更深的层次上，态矢量由于受到非线性和本性上随机因素的影响。二者都是为了说明目前量子力学的概率本性。

评论：

爱因斯坦与波尔就波、粒子混搭所展开的争论是有积极意义的，但后来的继承者回避争论，使得物理学缠上了“波函数”这个理论怪胎，导致了80年科学理论研究的沉寂。

大自然的客观真实只可能是唯一的，科学探索是在荒漠、黑夜中求索，把一个尚未定论、逻辑模糊、先天不足的观点当作理论主流，难免进入弯道。

科学观测有它的极限，而这些元存在就躲在这极限的下面，但人类却可以通过心智以抽象的数学方式去描述它。但抽象的方式对人类的理解来说终究是不完备的，所以必须给它赋形。

郭光灿和高山合著的《爱因斯坦的幽灵》一书明确指出：量子纠缠的非定域性质与洛沦兹不变性相矛盾，这要求在客观上存在一个绝对参照系。

爱因斯坦关于理论和经验关系的两段话：

（1）“纯粹的逻辑思维不能给我们任何关于经验世界的知识；一切关于实在的知识，都是从经验开始，又终结于经验。”（《关于理论物理学的方法》，1933）

（2）“我们现在特别清楚地领会到，那些相信理论是从经验归纳出来的理论家是多么的错误呀，甚至伟大的牛顿也不能摆脱这种错误（'我不杜撰假说’）。”（《物理学和实在》，1936）

到目前为止，还没有任何人对量子力学的元思维超出爱因斯坦，也没有人超越玻尔。

宇宙起源于一个时空奇异点，夸克也必须存在。但是时空奇异点的存在超越了我们已知的物理学，夸克也根本无法直接测量。

质子、中子的夸克结构，是盖尔曼受三声鸟叫启发，出于“基本粒子不基本，基本电荷非整数”的主观臆断。质子与电子简并成中子，一正一负两整数元电荷，怎就成了1e/3、2e/3的分数电荷呢? 中子衰变及一切核反应中都只有整数电荷放出；夸克的色与味都不是客观实在；“夸克禁闭”这么多年，人类竟然毫不怀疑！

质子、中子的电结构，不是象晶体那样的空间点阵结构，是此处趋于电中和、彼处趋于电极化，瞬息万变进行着，正常没有电分离的动态结构。用未分清电极化边界的动态官能团，来理解夸克还勉强可以。作为夸克间力传递者的胶子，又要用未分清电中性边界的动态官能团来理解。哪里有真正独立的基本粒子夸克、胶子？

哈勃定律观测没问题，红移测距算法没问题，多普勒效应没问题，红移测速算法没问题。但对退行速度的本质，理解出了根本性问题！这一根本性问题，附带出“星系退行，宇宙膨胀，宇宙起源于原始大爆炸，宇宙加速膨胀，需要引进暗能量”一系列谬论！目前正主宰着全人类的认知，严重干扰人类正常思维，必须予以彻底纠正。