物理

量子在你心

量子理論的某種新觀點,可以去除微觀世界中種種奇異的弔詭,但所付出的代價是:量子訊息只存在於你的想像之中。

撰文/馮貝爾(Hans Christian von Baeyer)
翻譯/高涌泉

物理

量子在你心

量子理論的某種新觀點,可以去除微觀世界中種種奇異的弔詭,但所付出的代價是:量子訊息只存在於你的想像之中。

撰文/馮貝爾(Hans Christian von Baeyer)
翻譯/高涌泉

量子力學完美地解釋了在各種尺度(從微觀到天文)之下物質的行為,在所有物質科學中,是最成功的理論,但也是最詭異的理論。


在量子領域裡,粒子似乎可以同時出現在兩個地方、訊息傳遞速度可以比光速快,而貓可以同時既是死的又是活的!物理學家已經對這些量子世界中弔詭的事情困惑了90年,但他們現在還是一籌莫展。當演化論和宇宙論已經成為一般知識時,量子理論仍然讓人(甚至許多物理學家)認為是奇特的異常事物;儘管在設計電子產品時,它是很棒的操作手冊,此外就沒什麼用處了。由於人們對於量子理論的意義有著深度混淆,便繼續加深一種印象:量子理論想急切傳達的(關於自然的)深奧道理,與日常生活無關,而且因為過於怪異,以至於一點也不重要。


在2001年,有個研究團隊開始發展一種模型,或許可以去除量子物理的弔詭之處,至少也會讓這些弔詭不那麼令人不安。這個模型稱為量子貝氏主義(Quantum Bayesianism, QBism),它重新思考波函數(這個位居量子弔詭核心的事物)的意義。


在正統量子理論中,一個物體(例如電子)可用波函數來表示,也就是說波函數是一種用來描述物體性質的數學式子。如果你想預測電子的行為,只需推導出它的波函數如何隨時間而變,計算的結果可以給你電子具有某種性質(例如電子位於某處)的機率。但是如果物理學家進一步假設波函數是真實的事物,麻煩就來了。


量子貝氏主義結合了量子理論與機率理論,認為波函數不是客觀實在的事物;反之,它主張把波函數當做使用手冊,是觀察者對於周遭(量子)世界做出適當判斷的數學工具。明確一點講,觀察者了解一件事:自己的行為與抉擇會無可避免地以無法預測的方式影響被觀測系統,因此用波函數來指明自己判斷量子系統具有某種特定性質的機率大小。另一個觀察者也用波函數來描述他所看到的世界,對於同一量子系統而言,可能會得到完全不同的結論。觀察者的人數有多少,一個系統(一個事件)可能擁有不同的波函數就有多少。在觀察者相互溝通、並且修正了各自的波函數以涵蓋新得到的知識之後,一個有條理的世界觀就浮現了。


最近才轉而接受量子貝氏主義的美國康乃爾大學理論物理學家摩明(N. David Mermin)這麼說:「在此觀點之下,波函數或許是『我們所發現最有威力的抽象概念』。」


不真實的量子


波函數不是真實的事物,這種想法早在1930年代就出現了,那時量子力學創建者之一的波耳(Niels Bohr)在其文章中已經這麼說。他認為量子理論僅僅是計算工具,即量子論只是「純符號性」的架構而已,而波函數是工具的一部份。量子貝氏主義是第一個為波耳的主張找到數學基礎的模型,它把量子理論與貝氏統計結合起來。貝氏統計是一門有200年歷史的統計學,這門學問把「機率」定義成某種類似「主觀信念」的事物。一旦新資訊出現,我們的主觀信念也必須跟著更新;針對如何更新,貝氏統計定下了明確的數學規則。量子貝氏主義把波函數解釋成一種會依據貝氏統計規則來更新的主觀信念,如此一來,量子貝氏主義的鼓吹者相信神秘的量子力學弔詭就消失了。


以電子為例,每當我們偵測到一個電子,就會發現它一定是位於某個位置;但是當我們不去看它,則電子的波函數可能是散開的,代表了電子在某一時刻處於不同地方的可能性;如果我們再去看它,又會看到電子出現在某一個位置。根據標準說法,觀測促使波函數在一瞬間「崩陷」而集中於某一個位置之上。


空間各處的崩陷發生於同一時刻,這種情形似乎違背了「局域性原理」(即物體的任何改變一定是由其附近的另一物體所引起的),如此一來就會引發一些如愛因斯坦稱為「鬼魅般的超距作用」的困惑。


量子力學一誕生,物理學家就知道「波函數的崩陷」是這個理論深深困擾人的一項特點。這個令人不安的謎促使物理學家發展出各種量子力學的詮釋(參見74頁〈量子力學的四種詮釋〉),但是都沒能完全成功。


然而量子貝氏主義說量子力學根本沒有任何詭異之處。波函數崩陷只是表示觀察者依據新資訊,忽然且不連續地更新了他原先分配的機率,就好像醫生依據新的電腦斷層掃描結果,而修正了對癌症病人病況的判斷。量子系統並沒有經歷什麼奇怪、不可解釋的變化,改變的是(觀察者選用的)波函數,波函數呈現的是觀察者個人的期待。


我們可以把這種想法應用在著名的量子弔詭——薛丁格的貓。量子物理學家薛丁格想像一個封閉的盒子裡頭有一隻活貓、一瓶毒藥及一顆放射性原子。根據量子力學,原子有50%的機率會在一小時之內衰變。如果原子衰變,一根鎚子會打破裝有毒藥的瓶子,釋放出毒藥殺死貓;如果原子不衰變,貓就會活著。


好!現在啟動實驗,但是不要往盒子裡看。一小時之後,傳統量子理論會認定原子的波函數是兩個狀態(衰變與不衰變)的疊加。不過由於你還沒有去觀察盒子內部到底是什麼狀況,原子便處於這個疊加狀態,鎚子也是在疊加狀態,毒藥瓶也是,最怪異的是,標準量子力學理論意味著貓是同時處於既活且死的疊加狀態。


量子貝氏主義堅持波函數是觀察者的主觀性質,而不是盒子裡的貓的客觀性質,這樣就去除了矛盾。這個理論說,貓當然要不就是活著,要不就是死的,不會同時既是活著又是死的。波函數的確代表活與死的疊加,但是波函數只描述觀察者的信念,宣稱貓真的是既活又死就好比棒球迷說紐約洋基隊是處於既贏又輸的疊加態——直到他得知比賽結果。如果有人相信個人的轉念之間就讓這世界從無到有,那是非常荒謬的妄想。


量子貝氏主義的期盼是藉由消除不必要的弔詭,來幫助物理學家關注量子理論中真正的基本特徵,無論最終這些特徵是什麼,並且「避免他們浪費時間,去追究與那些無謂的弔詭有關的愚蠢問題。」摩明這麼說。

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