《量子论-新世纪的思考》——钟典的一家之言

量子论新世纪的思考 重庆市涪陵区第五中学校初 2010级一班 重庆市涪陵区兴华东路 44号“研究所” 摘要 量子论是现代物理学的两大基石之一，但它自建立到现在的一个多世纪以来，争议 不断。虽然它在各个方面获得了长足发展，但是它与相对论的不兼容导致了现今物理学界 的最大尴尬。本文将以新世纪的眼光，以不确定性为重点，重新审视量子论，以此获得新 的启迪。 关键词 不确定性原理 平行宇宙 钟典-薛定谔双猫问题 “量子理论提供了精确一致地解决关于原子、激光、X 射线、超导性以及其他无数事 情的能力，几乎完全使古老的经典物理理论失去了光彩。但我们仍旧在日常的地面运动甚 至空间运动中运用牛顿力学。在这个古老而熟悉的观点和这个新的革命性的观点之间一直 存在着冲突。 ” 引自百 度百科 当我们抬头，仰望宇宙，我们坚信，牛顿力学和相对论为我们提供了诠释世界的完美 平台；当我们俯身，敲击原子，我们从不怀疑，量子理论不是世间的真理。但是，20 世纪 者最伟大的两个物理成就，从根本上，就是不相统一的。虽然，对于大多数物理学者来说， 这一矛盾解决与否并无大碍，他们仅仅关心他们自己的工作，完全可以忽视这些来源于哲 学层面的矛盾。但是，毋庸置疑，要想获得更加完美的理论，我们就必须将两者结合起来， 构筑更加完美的理论大厦。 一、 我们该站在哪一位巨人身上？ 1900 年，马克斯普朗克引入量子概念，为量子力学奠定基础； 1905 年，阿尔伯特爱因斯坦提出光量子假说； 1913 年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，提出玻尔的原子理论， 对氢光谱作出了满意的解释，使量子论取得了初步胜利； 1923 年，德布罗意提出了物质波假说，将量子论发展到一个新的高度； 1925 年和 1926 年，薛定谔和玻恩、约丹小组各自提出波动力学和矩阵力学； 1926 年，薛定谔统一了波动力学和矩阵力学，建立了完整的矩阵力学。 20 世纪的前叶，量子理论以前所未有的速度发展，迅速成长为能够精确一致地解决 关于原子、激光、X 射线、超导性以及其他无数事情的物理理论。但是，量子理论在发展 中仍旧遇到了许多棘手的问题，有的甚至现今都没有得到好的解释。譬如“薛定谔猫”的 问题，自 1935 年被提出以来，虽然有平行宇宙等诸多解释，但仍然争议不断。而且，量 子力学与相对论的不兼容性的凸显，更使理论物理学界显得扑朔迷离。 科技在发展，时代在变迁。我们似乎迫切需要一种更为完美的理论来诠释宇宙万象， 这篇文章虽然不能提供比相对论和量子理论更加漂亮的理论来研究世界，但本文所引发的 思考，或许会对物理学界带来一下新的消息。 二、 不确定性、薛定谔猫、平行宇宙及其他 钟典 对于量子物理学家来说，有一件事依然让他们记忆犹新，1935 年，薛定谔发表了一 篇论文，题为量子力学的现状 ，在论文的第节，薛定谔描述了那个常被视为恶梦的猫 实验：一只猫被封在一个可能由量子衰变致它死亡的装置里，按照当时量子论的说法，在 我们打开这个装置之前，这只猫处于生死叠加状态。当然，这简直是一个天大的玩笑，生 和死在逻辑上说，是矛盾的，两者不可能同为真， 也不可能同为假。为了解决这个矛盾， 埃弗雷特提出了多世界诠释，试图解决这个疑难。但这个解释实在太过天马行空，以至于 人们说：“在科学史上，多世界诠释无疑是目前所提出的最大胆、最野心勃勃的理论。 ” 现在旧事重提，并非仅仅想历数一下典故，而是为了引出我们需要解决的新的问题 这或许会对多世界诠释带来毁灭性的打击，为了简便，本文将把这个问题称作“钟典-薛 定谔双猫问题” 。 设想我们现在有两个薛定谔猫的装置， （为了简便，我们假设这个世界就只有这两个 装置存在）一个叫做 A 装置（装着 A 猫） ，另一个理所当然地叫做 B 装置（装着 B 猫） 。 其他的任何事情，我们都不需要改变，只需要假设以下偶然现象成立：两个装置在同一个 普朗克时间内发生量子衰变。按照多世界诠释，我们将会创造一个新的宇宙。但是 A 装置、 B 装置所发生的量子衰变完全是独立的，而他们又在同一个普朗克时间发生，这就成为了 一个棘手的问题了。到底是 A 装置首先发生量子衰变开辟一个宇宙呢？还是 B 置首先发生 量子衰变开辟一个宇宙呢？无论哪个在前，哪个在后，我们都必须面临着一个逻辑上的矛 盾，那就是由 A 装置所创造的 A 系宇宙包含且包含于由 B 装置所创造的 B 系宇宙。解决 这个矛盾的方法只有一个，那就是我们认为 A 系宇宙与 B 系宇宙之间是全同关系，A、B 都不是对方的真子集，这样有 A=B,可以得到 且 这样就能够满足刚才的谬误，但值得注意的是，这样一来就取消了两个事件的独立性，间 接地说明了宇宙在一个普朗克时间里是统一而不可分割的。每一个随机事件都是它的一个 变量，其取值只有是与否，这恰如编程语言中的布尔变量（Bool）一样。 上述理论基本是毋庸质疑的，但正是这个毋庸质疑的逻辑推理将会质疑这个最为野心 勃勃的多世界诠释理论。前面的讲诉说明了宇宙在一个普朗克时间内是统一而不可分割的， 但值得注意的是，虽然前面的论述着眼点是在一个普朗克时间内，但实际上它已经向我们 宣告：“我们的世界从古到今，一直都是统一演变着的，所有的事情都是预先确定的。 ” 我们刚才的理想实验，可以直观地表示为： 量子衰变 A1A装置 量子未衰变 A2 量子衰变 B1B装置 量子未衰变 B2 我们刚才的理想实验，着眼点都在 A、B 两装置同时发生量子衰变的 A1B1宇宙上，然 而即使 A、B 两事件并不是在同一时间发生的，我们也能毫不费力地证明出“在不同时间上 的宇宙也是不可分割的。 ” 前面之所以可以证明宇宙在同一时间内是统一的，就在于 A、B 两个变量各取了一个 确定的值（都为真） 。而现在 A装置发生了衰变（值为真） 、B 装置暂时没有（值为假） ，那 么两个值依然是确定的，它们依旧可