量子力學(xué)最大的難題是什么? 為什么量子力學(xué)飽受爭議？

前面做了好幾期量子力學(xué)的內(nèi)容，從量子力學(xué)的基礎(chǔ)原理到量子退相干，但是這些內(nèi)容都是基于哥本哈根學(xué)派的詮釋。

大學(xué)物理課本上有關(guān)量子力學(xué)的知識，包括波粒二象性，量子疊加，量子糾纏，測量坍塌的概念大都采用哥本哈根學(xué)派的解釋。這一學(xué)派是由玻爾和海森堡于1927年，在丹麥?zhǔn)锥?哥本哈根合作研究量子力學(xué)時(shí)共同提出的。

在量子力學(xué)的發(fā)展初期，反對哥本哈根學(xué)派的大佬十分多，比如普朗克，愛因斯坦，以及薛定諤。這些大佬之所以極力反對哥本哈根學(xué)派，主要是因?yàn)楦绫竟鶎W(xué)派對量子力學(xué)的解釋無法令人信服。

或者說哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的詮釋更像是唯象理論，只是歸納現(xiàn)象，而不解釋內(nèi)部機(jī)制。這讓信奉普適性理論的物理學(xué)家是難以接受的。

唯象理論簡單來說就是，物理學(xué)家只能觀測或者推理出量子世界的運(yùn)動現(xiàn)象，基于這些現(xiàn)象從而建立方程式模型，然后利用這些方程預(yù)測量子世界的運(yùn)動。也就是說，唯象理論只能概括現(xiàn)象，卻不知道現(xiàn)象背后的機(jī)制是什么。

所以費(fèi)曼才說，沒人懂得量子力學(xué)，這句話的潛在含義是，我們雖然能利用方程式預(yù)測量子世界的變化規(guī)律，但是卻不知道背后的內(nèi)在機(jī)制。

當(dāng)物理學(xué)發(fā)展到量子力學(xué)這一步時(shí)，爭議性顯著變多

而在牛頓時(shí)代的經(jīng)典力學(xué)中，好像并沒有太多爭議，大家貌似都很服從牛頓力學(xué)。其實(shí)本質(zhì)上還是理論普適性的問題。

事實(shí)上，在牛頓之前，開普勒基于天文觀測，就已經(jīng)提出來了天體運(yùn)行的三大定律，在這三大定律中，我們知道每一個(gè)行星都沿著各自的橢圓軌道環(huán)繞著太陽，而太陽則處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上，在相等時(shí)間內(nèi)，太陽和運(yùn)動著的行星的連線所掃過的面積都是相等的。

開普勒定律則是典型的唯象理論，開普勒只是基于觀測數(shù)據(jù)歸納出這樣的規(guī)律，卻不知道這些規(guī)律背后隱藏的內(nèi)在機(jī)制。而牛頓力學(xué)則是揭示開普勒定律內(nèi)在機(jī)制的深層理論。

其實(shí)在牛頓時(shí)代，很少有物理學(xué)家認(rèn)為牛頓力學(xué)是唯象理論，而更傾向認(rèn)為牛頓力學(xué)是可以解釋宇宙所有天體運(yùn)動的普適性理論。直到麥克斯韋方程式的出現(xiàn)，以及邁克爾遜-莫雷驗(yàn)證的以太風(fēng)實(shí)驗(yàn)后，牛頓力學(xué)才面臨難以解釋的光速問題。

之后到1900年，普朗克提出能量量子化，1905年，愛因斯坦提出狹義相對論。牛頓力學(xué)也徹底淪為了唯象理論。

唯象理論并不是說就是錯(cuò)的，也不是不能用，而是具有一定局限性。比如牛頓力學(xué)只能適用于宏觀，低速，弱場的情況下。除此之外，牛頓力學(xué)則會失效。

在廣義相對論提出來之后，我們普遍認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)中的引力概念并不正確，引力的本質(zhì)其實(shí)是質(zhì)量造成時(shí)空彎曲的表象。而很多人在這時(shí)候更傾向于認(rèn)為廣義相對論是普適性理論。

但是這樣的認(rèn)知依舊不太嚴(yán)謹(jǐn)。因?yàn)閺V義相對論目前也面臨難以解釋的問題，比如無法解釋所有的微觀現(xiàn)象。

在一般情況下，我們會忽略掉微觀粒子的引力項(xiàng)，因?yàn)橐Ρ緛砭褪撬姆N作用力里面最弱的，另外，微觀粒子的質(zhì)量十分小，引力也極小，微觀粒子在強(qiáng)力，電磁力，弱力上的數(shù)值以數(shù)量級的優(yōu)勢碾壓引力。所以廣義相對論一般也不用插手量子力學(xué)的計(jì)算。但是在有一種情況下，廣義相對論不得不插手微觀世界，那就是黑洞內(nèi)部的奇點(diǎn)。

奇點(diǎn)的體積無限小，所以在尺度上屬于微觀世界，但是奇點(diǎn)的質(zhì)量卻十分巨大，廣義相對論不得不插手黑洞內(nèi)部的奇點(diǎn)問題。

在廣義相對論看來，彎曲的時(shí)空在無限小的尺度上是平坦的，然后才能計(jì)算出整體的曲率，但是奇點(diǎn)本身也是無限小的，所以無窮小的平坦時(shí)空，遇到無窮小的奇點(diǎn)，就沒有辦法再被視為平坦的了，無窮小遇到無窮小，計(jì)算出的結(jié)果可以是任何一個(gè)數(shù)，這就會造成一個(gè)發(fā)散的無限大，為了解決無窮大的發(fā)散問題，就需要引入一個(gè)抵消項(xiàng)，達(dá)到重整化的目的。

重整化的目的就是截?cái)噙@種無窮小。而在物理意義上，空間無窮小的極限就是普朗克長度，當(dāng)奇點(diǎn)達(dá)到普朗克長度就終結(jié)了。所以目前一般采用普朗克長度解決廣義相對論無窮小導(dǎo)致的發(fā)散問題。當(dāng)然這就屬于量子引力理論的范疇了。

在黑洞奇點(diǎn)上，用廣義相對論是難以計(jì)算的。

所以廣義相對論的普適性就受到了極大的挑戰(zhàn)。如果嚴(yán)格來說，廣義相對論也是一種唯象理論。

從物理學(xué)的發(fā)展史來看，我們一開始認(rèn)為的普適性理論大都被后來的理論取代成唯象理論。就和螺旋式上升一樣，被否定才能進(jìn)步。

我們目前認(rèn)為普適性理論的代表是能量守恒定律（各種守恒定律），這是因?yàn)槲覀冋也坏饺魏我环N現(xiàn)象可以否定這些定律。所以它才是普適性的。如果以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度思考問題，目前我們認(rèn)為的普適性理論在未來也可能會變成唯象理論，就和黑天鵝理論一樣。如果非要鉆牛角尖，否定到最后，只能是“我思故我在”了。

說了這么多，就是為了讓大家明白理論普適性的問題，這時(shí)候你再看看量子力學(xué)，或許就會有全新的認(rèn)知。

量子力學(xué)是在20世紀(jì)才發(fā)展起來，之所以這么晚，主要是之前人類的顯微鏡水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在19世紀(jì)，人類的顯微鏡能看見大分子就已經(jīng)很厲害了，還很難達(dá)到原子尺度。

雖然微觀和宏觀世界沒有明確的界限，但一般認(rèn)為達(dá)到原子級別之下，才屬于真正的量子世界。到19世紀(jì)末，20世紀(jì)初，人類依靠顯微鏡結(jié)合其他方式才真正打開原子內(nèi)部的世界。

人類第一次了解到原子的結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)很多現(xiàn)象難以解釋，而擺在物理學(xué)家面前最棘手的問題就是電子繞原子核的運(yùn)動規(guī)律與經(jīng)典力學(xué)完全不符。

因?yàn)榘凑整溈怂鬼f方程式的預(yù)言，電子繞原子核運(yùn)動是變速運(yùn)動，那么電子就會輻射電磁波，從而導(dǎo)致能量不斷降低，繼而墜落到原子核上，而是事實(shí)并非如此。

為了解決這一問題，玻爾利用了當(dāng)時(shí)最時(shí)髦的理論，也就是普朗克的能量量子化概念。玻爾認(rèn)為如果電子所在的軌道剛好在，與普朗克常數(shù)成正比的量子化軌道上，那么電子則可以在不輻射能量的情況下存在，并且不會掉落到原子核上。

后來，德布羅意的研究表明，如果存在這樣的量子化軌道，那么電子一定是波。再后來，德布羅意發(fā)現(xiàn)，除了電子和光子，所有的粒子都具有波動性，包括宏觀物質(zhì)也具有波動性。這就是德布羅意的物質(zhì)波概念。

既然粒子都是波，那波就有波狀，而且波狀會隨著時(shí)間不斷變化，我們只需描述波狀隨著時(shí)間如何演變就能掌握微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律，

后來薛定諤方程就完美地量化了粒子波動性的規(guī)律。

當(dāng)量子力學(xué)發(fā)展到薛定諤方程誕生的時(shí)候，其實(shí)爭議還不是很大。

這時(shí)候，愛因斯坦和普朗克還是比較支持薛定諤的研究。

隨后，量子力學(xué)的研究方向才出現(xiàn)重大的分歧，爭議也達(dá)到了巔峰。這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)在1927年。因?yàn)檫@就在一年，哥本哈根學(xué)派誕生了

就在同年，第五次索爾維會議召開，愛因斯坦和波爾發(fā)生激烈舌戰(zhàn)，質(zhì)疑哥本哈根學(xué)派的聲音開始白熱化。

那量子力學(xué)各種學(xué)派到底在爭什么？

首先要明白，量子力學(xué)是研究微觀世界的一門學(xué)科。研究的對象就是微觀世界的運(yùn)動。不管是哪個(gè)學(xué)派，微觀世界公認(rèn)的現(xiàn)象有波粒二象性，量子疊加，測量坍塌等等。

但當(dāng)如何解釋這些現(xiàn)象時(shí)，卻出現(xiàn)重大分歧。

比如在電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，只要我們?nèi)ヌ綔y電子，電子就會喪失波動性，從而表現(xiàn)出類似宏觀世界的實(shí)體粒子。并且在測量前，這些所謂的“實(shí)體粒子”并沒有明確的位置，測量行為也只能預(yù)測粒子出現(xiàn)在某一位置的概率。

所以身為哥本哈根學(xué)派的玻恩才認(rèn)為，我們不應(yīng)該把薛定諤方程中的波動性只看成是波，這種波的本質(zhì)應(yīng)該是幾率波，也就是粒子出現(xiàn)在某一空間是概率隨機(jī)的（概率波和幾率波并不一樣），這種隨機(jī)性在空間表現(xiàn)上就特別像是波的形狀。

所以哥本哈根學(xué)派將粒子的波函數(shù)視為一種概率隨機(jī)事件，而愛因斯坦無法相信這種解釋，在愛因斯坦看來，不會解釋就不要亂解釋，上帝是不擲色子的(shai zi)，所謂的概率，其實(shí)是因?yàn)楦绫竟鶎W(xué)派對量子力學(xué)的詮釋不具有完備性，背后肯定還有隱藏的變量在作祟。當(dāng)然，目前以大貝爾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，愛因斯坦極大可能是錯(cuò)的。

在波粒二象性上，波爾用互補(bǔ)原理來解釋，這一原理的直白表述就是 ，在描述微觀物體的量子行為時(shí)，位置的不確定性越小，則動量的不確定性越大，反之亦然。粒子性和波動性不是獨(dú)立的，而統(tǒng)屬粒子內(nèi)部的一致性，之所以我們看到粒子有時(shí)候是波動性，有時(shí)候是粒子性，是因?yàn)槲覀児室庠O(shè)置了實(shí)驗(yàn)儀器。

如果想觀察光的波動性，我們就將實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)成楊氏雙縫的樣子，如果想觀察光的粒子性，就又將裝置調(diào)成光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。所以對于 光到底是波還是粒子這樣的問題，是不具有物理意義的，

因?yàn)椴▌有院土Ｗ有云鋵?shí)就是粒子的內(nèi)稟屬性，這種性質(zhì)也沒有任何明顯的分界線。在理論上，我們也不可能制造出可以同時(shí)觀察波動性和粒子性的實(shí)驗(yàn)裝置。

以上就是波爾互補(bǔ)原理詮釋的波粒二象性，其實(shí)在這一點(diǎn)上，其他學(xué)派對哥本哈根學(xué)派詮釋的質(zhì)疑還不是很大。

爭議最大的是在測量坍塌上，我們知道，測量粒子會導(dǎo)致粒子的波函數(shù)坍塌，導(dǎo)致波動性“喪失”，而表現(xiàn)成粒子性。

目前主流學(xué)界關(guān)于波函數(shù)坍塌過程有四種解釋

最經(jīng)典的說法是哥本哈根學(xué)派的詮釋。該學(xué)派認(rèn)為測量行為和波函數(shù)坍塌應(yīng)該視為一個(gè)整體的系統(tǒng)，測量即坍塌。所以不應(yīng)該將測量行為獨(dú)立于坍塌之外。

但在其他學(xué)派看來，哥本哈根學(xué)派永遠(yuǎn)只是描述現(xiàn)象，從不直面本質(zhì)。

第二種比較流行的詮釋是羅杰?彭羅斯提出的引力坍塌。

這種詮釋認(rèn)為，如果一個(gè)量子物體處于多個(gè)位置的疊加狀態(tài)，每個(gè)位置狀態(tài)都會通過它們的引力相互作用“感覺”到其他的位置狀態(tài)。就好像這種引力導(dǎo)致物體測量自己，迫使它坍縮。

第三種詮釋是自發(fā)坍塌說，簡稱GRW模型。

GRW模型認(rèn)為，波函數(shù)坍塌是自發(fā)進(jìn)行的，因?yàn)椴ê瘮?shù)總是會受到某些未知因素的干擾，這些干擾就會誘導(dǎo)波函數(shù)自發(fā)的坍塌成可觀測的狀態(tài)之一，也就是本征態(tài)。自發(fā)坍塌的快慢取決于量子系統(tǒng)的尺度。如果系統(tǒng)尺度比較小，比如說 次原子粒子，那么它自發(fā)坍塌的時(shí)間就比較長，所以很長時(shí)間都會保持波函數(shù)原來的狀態(tài)。

而如果系統(tǒng)十分大，比如說宏觀物質(zhì)，那么系統(tǒng)內(nèi)的波函數(shù)就會瞬間坍塌。GRW也是解釋宏觀物質(zhì)為什么沒有量子效應(yīng)（量子退相干）的理論之一。

第四種詮釋則是馮諾依曼-維格納詮釋。也就是著名的意識假說。

馮諾依曼認(rèn)為，量子力學(xué)不但對微觀粒子有效，對宏觀的測量儀器乃至于觀察者同樣有效。也就是說，不存在所謂的經(jīng)典世界和量子世界的邊界，它們都是由量子力學(xué)描述的。一切宏觀物質(zhì)都是由量子微粒構(gòu)成，因此我們必須假定即使是宏觀物體，也會遵循量子力學(xué)規(guī)律，所謂的宏觀物質(zhì)也是大量粒子在一起顯示出來的涌現(xiàn)現(xiàn)象。意識的變化必然會引起微觀粒子量子狀態(tài)的改變。而目前我們對意識的本質(zhì)知之甚少。

所以意識可能就是唯一一個(gè)不遵守量子規(guī)則的因素。而波函數(shù)坍塌的過程也是神秘莫測的，這樣的過程必然是由另一種獨(dú)立于規(guī)則之外的因素引起的。而目前來說，只有意識符合這樣的要求。所以是意識引起的波函數(shù)坍塌。

關(guān)于波函數(shù)坍塌的詮釋還有很多，比如多世界詮釋，但是這些過于小眾，感興趣可以自己查閱資料。

所以量子力學(xué)的各個(gè)學(xué)派并不是否認(rèn)量子力學(xué)的反常識現(xiàn)象，而爭的是對這種現(xiàn)象的解釋權(quán)。

哥本哈根學(xué)派之所以能成為詮釋量子力學(xué)的主流理論，主要是因?yàn)楹蛯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合。但哥本哈根學(xué)派從不過分糾結(jié)量子力學(xué)背后的內(nèi)在機(jī)制，所以，以哥本哈根學(xué)派為主流的量子力學(xué)被詬病成唯象理論也是正常的。

事實(shí)上，并不是哥本哈根不在乎量子現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制，而是無能為力。科學(xué)永遠(yuǎn)只是歸納現(xiàn)象，從不解釋現(xiàn)象。

如果我們非要追求一個(gè)所謂的普適性理論，從而著急解釋現(xiàn)象，只會陷入到哲學(xué)里。

假設(shè)A現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制是B現(xiàn)象引起的，那么B現(xiàn)象的背后機(jī)制又是什么引起的？這樣下去就和俄羅斯套娃一樣，就沒完沒了了，這些深度思辨的活是哲學(xué)家的任務(wù)，而不是科學(xué)家的責(zé)任。

哥本哈根學(xué)派只負(fù)責(zé)歸納現(xiàn)象，從不多余猜想，反而造就了量子力學(xué)的成功。