Only Perception: 量子波函數代表現實嗎？

2012-05-08

量子波函數代表現實嗎？

Does the quantum wave function represent reality?
http://phys.org/news/2012-04-quantum-function-reality.html

By Lisa Zyga, April 25, 2012

(Phys.org) -- 位於量子力學核心的是波函數（wave function），一種物理學家用來理解奈米級世界的機率函數。利用這種波函數，物理學家能計算某個系統未來的行為，但只有某種程度的可能性。量子理論這種天生的不確定性（probabilistic）本質不同於物理學家用以描述古典世界的確定性（certainty），導致對於「波函數如何詮釋」持續將近一世紀之久的爭辯：它能代表客觀現實（objective reality）或僅僅只是一位觀察者的主觀認識（subjective knowledge）？在一篇新論文裡，安大略滑鐵盧 Perimeter Institute（PI，圓周理論物理研究所）的物理學家 Roger Colbeck 以及瑞士 ETH Zurich 的物理學家 Renato Renner，提出一種論點，那強烈偏好波函數的客觀現實，對量子力學的根本意義，將能有更好的理解。

如同 Colbeck 與 Renner 在其論文（發表於 Physical Review Letters）中的解釋，波函數有二種突出的詮釋，日期可回溯到它在 1920 年代的起源。在其中一種觀點中，波函數對應到某種「現實的元素（element of reality）」，不管觀察者是否測量它，它都會客觀地存在。在另一種看法裡，波函數並不能夠代表現實，而是代表某位觀察者對於「某些構成現實之基礎」的主觀認識狀態。1927 年，Niels Bohr（波耳）等人在哥本哈根詮釋（Copenhagen interpretation）中倡議這種另類觀點，在其中，波函數不過是一種數學機率，當觀測者測量此系統時（將導致波函數塌縮），只能即時取得一個值。然而還有其他人不同意上述這二種看法：在 1930 年代，愛因斯坦、Podolsky 與 Rosen 爭論，關於「現實」波函數並未提供一種完整的物理學描述，並指出整個量子力學理論尚不齊全。

在他們的這篇論文裡，Colbeck 與 Renner 對於「波函數的不確定性本質」以一個簡單的例子來闡明二種主要觀點之間的差異：

"考慮一位氣象學家，他對明日天氣進行預測（例如，陽光普照的機率是 33% 而多雲的機率是 67%），" 他們寫道。"我們也許假設古典力學能精確地描述相關過程，所以天氣全然依賴初始條件。事實上，預測比「只反映出那些條件中欠卻的、關於氣象學的那部份知識」更具不確定性。尤其，『預測』本身並非一種與大氣相關的『現實元素』，那只能反映出預測者的『主觀認識』；具有不同知識的第二位氣象學家也許會發布另一種預測。在量子力學中，某人也許會問，我們指派給某個量子系統的波函數是否應該被視為一種主觀對象（subjective object，相當於「天氣預測」），代表一位實驗者對於該系統的認識，抑或，波函數是一種該系統的現實元素（相當於「天氣晴朗」）。

Colbeck 與 Renner 爭論：量子系統的波函數與天氣預測不同，能完整描述「現實」本身，而不僅僅是一位物理學家缺乏的現實知識。在他們的論文中，他們在邏輯上證明一量子系統的波函數與其「現實元素」一對一對應（one-to-one correspondence），換言之，這些變數描述該系統的行為。這個主張的唯一假設是，能自由地選擇度量設置（measurement settings）以及量子理論能給定正確的統計預測，這二者通常隱含在物理研究以及在實驗上可檢驗的項目中。

"（波函數代表現實）這（個想法）意味著，波函數包含（原則上可從該系統獲得的）所有的資訊，換言之，一個都沒少，" Renner 表示。"但不管怎樣，即使我們知道某系統的波函數（也因而包括了「現實」），其未來的行為也無法被確切地預測。這意味著這些在本質上有內在隨機性（inherent randomness）。"

科學家的主張依賴二種看似相反的陳述：首先，任何包含在該系統之「完整現實元素清單」內的資訊（若這份清單包含針對該系統進行實驗而獲得的、關於實驗結果的所有預測，那麼它是完整的）已包含在該系統的波函數中。此即，波函數包含了所有的現實元素。物理學家去年在一篇論文中，將這段陳述化為公式。物理學家在此提出的第二種陳述是：某系統的現實元素清單包含了它的波函數。放在一起看，這二種陳述暗示，某系統的波函數與其現實元素是一對一的關係。藉由證明波函數能完整地描述現實，此論點亦暗示量子力學是一種「完整的理論」。

"再拿氣象學家的研究來比喻，" Renner 說。"在這個比喻中，氣象學家所使用的資料與模型可取代波函數，而現實相當於目前的天氣。如果氣象學家的資料與天氣之間是一對一對應，那我們將處於非常有利的情況下：預測將會與可能性一樣精確，在此情況下，不存在任何未曾被考慮過的資訊。"

"同樣地，我們的結果：波函數與現實元素間是一對一對應，意味著，如果我們知道一系統的波函數，那我們就恰好處於這樣的有利情況下：存在於自然中、且與預測一量子力學系統之行為有關的任何資訊，在此能被波函數一對一重現（represented）。在這種情況下，波函數是一種最佳的現實描述。"

最近，在支持波函數完整重現現實的論點中，這並非唯一。在 2011 年 11 月，一個來自英國的物理學家團隊（Matthew F. Pusey, Jonathan Barrett, 與 Terry Rudolph）議論道：波函數的主觀詮釋與量子力學中似是而非的假設相矛盾，諸如多重系統（multiple systems）能以某種使其現實元素不相關的方法製備。雖然，這種方法與目前的論文完全不同，不過來自這二篇論文的支持，也許能幫忙指出物理學當中持續最久的一項爭論之一的答案。在未來，Colbeck 與 Renner 計畫要使假設不會像現在那樣嚴苛。

"我們的結果是基於這種假設：原則上，一位實驗者能「自由地」選擇他想要的測量方法來進行，" Renner 說。"因此，若某人準備接受這種假設，我們的答案可被視為最終的。然而，質疑「自由選擇」假設（以及「自由選擇」被界定的方法）無疑是正當的。我們目前正在進行一項證明：這種假設能以較弱的一種取而代之（那可以叫做「部份自由的選擇（partial freedom of choice）」）。"

※ 相關報導：

＊ Is a System’s Wave Function in One-to-One Correspondence with Its Elements of Reality?
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.108.150402