量子測(cè)量問(wèn)題是量子力學(xué)發(fā)展過(guò)程中不可回避的一個(gè)問(wèn)題，涉及到量子力學(xué)的本質(zhì)，并且相關(guān)爭(zhēng)論存在至今。物理學(xué)家各有不同觀點(diǎn)，文本作者N. D. Mermin認(rèn)為量子力學(xué)不存在測(cè)量問(wèn)題：物理系統(tǒng)不存在“真實(shí)的”量子態(tài)，態(tài)取決于物理學(xué)家的選擇和計(jì)算。當(dāng)然，對(duì)于許多物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，對(duì)待量子力學(xué)詮釋的態(tài)度是“Shut up and calculate！”有意思的是，這條總被安在費(fèi)曼身上的名言，其實(shí)在書面上最早出于N. D. Mermin筆下。
撰文 | N. D. Mermin（康奈爾大學(xué)物理系榮休教授）
翻譯 | 1/137
波函數(shù)坍縮是一個(gè)物理過(guò)程的觀點(diǎn)源于對(duì)概率及其在量子力學(xué)中所起作用的誤解。
——作者
量子物理學(xué)家分三種類型：(1) 認(rèn)為量子力學(xué)被所謂的測(cè)量問(wèn)題所破壞；(2) 像我一樣，認(rèn)為不存在測(cè)量問(wèn)題；(3) 認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題不值得嚴(yán)肅考慮。你可以在馬克西米利安·施洛紹爾（Maximilian Schlosshauer）的《優(yōu)雅與謎團(tuán)》（Elegance and Enigma）一書的第七章中找到前兩類的17位物理學(xué)家和哲學(xué)家的不同觀點(diǎn)。
這三類中的大多數(shù)人都會(huì)同意如下的觀點(diǎn):量子力學(xué)借助于量子態(tài)（states）完全地描述物理系統(tǒng)；態(tài)是對(duì)系統(tǒng)中所有可能問(wèn)題的所有可能答案的概率的綱領(lǐng)；量子力學(xué)本質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)的；沒有更深層的理論能給出更為全面的描述。
賦予一個(gè)系統(tǒng)的態(tài)通過(guò)兩種方式隨時(shí)間變化。如果對(duì)一個(gè)系統(tǒng)不做任何測(cè)量[1]，那么它的態(tài)就會(huì)隨時(shí)間確定性地演化：連續(xù)地、按照給定的規(guī)則發(fā)展。如果對(duì)系統(tǒng)提出一個(gè)問(wèn)題——稱為進(jìn)行一次測(cè)量——那么當(dāng)系統(tǒng)做出應(yīng)答時(shí)，這個(gè)態(tài)會(huì)不連續(xù)地變成某個(gè)態(tài)，它既取決于測(cè)量之前的態(tài)，也取決于系統(tǒng)對(duì)該測(cè)量的特定應(yīng)答。第二個(gè)過(guò)程被稱為態(tài)的塌縮 (collapse of the state)。（態(tài)的）塌縮通常是突然、不連續(xù)和隨機(jī)的。
一個(gè)物理系統(tǒng)和另一進(jìn)行特定測(cè)量的物理系統(tǒng)——一臺(tái)測(cè)量裝置 (apparatus)——可以被量子力學(xué)處理為單一的復(fù)合系統(tǒng)。如果不對(duì)它進(jìn)行測(cè)量，那么對(duì)于賦予系統(tǒng)的態(tài)，量子力學(xué)給出確定性的時(shí)間演化。然而，如果反之，對(duì)整個(gè)復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的話，賦予復(fù)合系統(tǒng)的態(tài)決定了概率；這一概率將賦予原來(lái)系統(tǒng)的態(tài)給出的可能答案與指示這些可能答案的測(cè)量裝置的態(tài)關(guān)聯(lián)起來(lái)。這些關(guān)聯(lián)概率就是量子力學(xué)對(duì)原來(lái)單獨(dú)系統(tǒng)給出的概率。因此，就概率而言，將量子力學(xué)用于單獨(dú)的原來(lái)的系統(tǒng)，還是用于原來(lái)的系統(tǒng)+（測(cè)量）裝置的復(fù)合系統(tǒng)，并沒有區(qū)別。
許多第（2）類中的物理學(xué)家會(huì)補(bǔ)充說(shuō)：除了產(chǎn)生所有概率之外，量子態(tài)分配沒有任何后果。雖然許多（也許是大多數(shù)）物理學(xué)家將概率視為世界的客觀特征，但大多數(shù)概率學(xué)家或統(tǒng)計(jì)學(xué)家并不這么認(rèn)為。正如著名的概率學(xué)家布魯諾·德·費(fèi)奈迪 (Bruno de Finetti) 在1931年所說(shuō)的那樣，“放棄關(guān)于燃素 (Phlogiston)、宇宙以太、絕對(duì)空間和時(shí)間……，或者仙女和女巫存在的迷信觀念是通向科學(xué)思考道路上的重要一步。概率亦然，如果把它看作是某種客觀存在的東西，那么這也同樣是一種誤導(dǎo)性的謬見，一種將我們實(shí)際的概率信念形象化 (exteriorize) 或物質(zhì)化 (materialize) 的虛幻嘗試”。
那些將其概率信念物質(zhì)化的物理學(xué)家也必須物質(zhì)化量子態(tài)，而后者不過(guò)是這些信息的編目罷了。但是，一個(gè)將概率視為個(gè)人判斷的物理學(xué)家，必然會(huì)將他或她分配的量子態(tài)視為其自身判斷的目錄。本世紀(jì)之交，凱夫斯 (Carlton Caves)、�？怂� (Christopher Fuchs) 以及沙克 (Rudiger Schack) 強(qiáng)調(diào)，系統(tǒng)的量子態(tài)只表達(dá)將量子態(tài)賦予該系統(tǒng)的特定物理學(xué)家的信念，這是量子力學(xué)詮釋的關(guān)鍵所在。
量子測(cè)量問(wèn)題
測(cè)量問(wèn)題源于審視測(cè)量的兩種不同方式：系統(tǒng)本身，還是系統(tǒng)+測(cè)量裝置。如果系統(tǒng)本身被測(cè)量，它的態(tài)就會(huì)塌縮。但是若不檢查測(cè)量裝置，那么復(fù)合的系統(tǒng)+測(cè)量裝置的態(tài)并不塌縮。哪個(gè)描述是正確的？哪個(gè)是真實(shí)的態(tài)？
第(2)類中的物理學(xué)家給出的答案是，物理系統(tǒng)不存在真實(shí)的態(tài)。人們選擇什么作為物理系統(tǒng)，以及給它分配什么態(tài)，都取決于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的特定物理學(xué)家的判斷，他們使用量子力學(xué)計(jì)算答案的概率。
這種連續(xù)和隨機(jī)時(shí)間演化之間的相互影響也是通常的經(jīng)典概率的一個(gè)特征。當(dāng)統(tǒng)計(jì)學(xué)家為關(guān)于系統(tǒng)問(wèn)題的答案賦予概率時(shí)，這些概率隨時(shí)間變化的規(guī)律是由孤立的、未經(jīng)檢測(cè)的系統(tǒng)其平穩(wěn)時(shí)間演化規(guī)則給出的。但這些概率也取決于統(tǒng)計(jì)學(xué)家從任何其他來(lái)源獲得的關(guān)于系統(tǒng)的進(jìn)一步信息。概率的更新是經(jīng)典過(guò)程中突變和不連續(xù)的部分。從來(lái)沒有人擔(dān)心過(guò)經(jīng)典的測(cè)量問(wèn)題。
如果量子態(tài)的全部?jī)?nèi)容就是它產(chǎn)生的概率的目錄，那么每個(gè)使用量子力學(xué)的物理學(xué)家都扮演著統(tǒng)計(jì)學(xué)家的角色。某個(gè)物理學(xué)家獲取進(jìn)一步的信息——無(wú)論是通過(guò)讀取測(cè)量?jī)x器的顯示，還是通過(guò)與其他物理學(xué)家的交流，或者僅僅是通過(guò)重新思考他已經(jīng)掌握的知識(shí)——都可以導(dǎo)致這些概率的突然變化，并由此更新了（這名物理學(xué)家）用以表示它們的量子態(tài)。不存在量子測(cè)量問(wèn)題。
第一類的物理學(xué)家用不同的方法處理他們的測(cè)量問(wèn)題：
在他們的各方面都堪稱上乘的量子力學(xué)著作中，朗道（Landau）和栗弗席茲（Lifshitz) 堅(jiān)持認(rèn)為量子力學(xué)不應(yīng)被視為觀察者觀念上的工具。這導(dǎo)致他們宣稱測(cè)量是量子和經(jīng)典客體之間的相互作用。如何區(qū)分這兩種類型——他們從來(lái)沒有解釋過(guò)——是他們 (未加說(shuō)明) 的測(cè)量問(wèn)題。
另一些人則通過(guò)引入一種特殊的物理噪聲來(lái)排除觀察者的存在，這種噪聲只與包含宏觀上多自由度的子系統(tǒng)發(fā)生顯著的相互作用。這種特殊噪聲被設(shè)計(jì)用來(lái)為客觀態(tài)的客觀塌縮提供一種物理機(jī)制。他們通過(guò)引入一種新的物理過(guò)程來(lái)解決測(cè)量問(wèn)題。
還有一些人通過(guò)完全消除塌縮來(lái)移除每個(gè)物理學(xué)家的個(gè)人判斷。他們用量子態(tài)來(lái)描述一個(gè)不可思議之大的持續(xù)分叉的宇宙（即多世界解釋[2]），其中包含所有可能測(cè)量的所有可能結(jié)果。
這些解都認(rèn)為量子態(tài)是它們所描述的物理系統(tǒng)的客觀屬性，而非每個(gè)量子力學(xué)個(gè)體使用者對(duì)這些物理系統(tǒng)做出的個(gè)人判斷的目錄。
使科學(xué)家“身在此山中”[3]
為什么我們必須客觀地理解科學(xué)規(guī)律？科學(xué)是一種人類活動(dòng)，其定律用人類的語(yǔ)言來(lái)表達(dá)。作為經(jīng)驗(yàn)主義者，大多數(shù)科學(xué)家相信他們對(duì)世界的理解基于他們的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。為什么要堅(jiān)持我對(duì)科學(xué)的解釋——我用來(lái)理解我所經(jīng)驗(yàn)（？）的世界——永遠(yuǎn)不應(yīng)提到我自己呢？“量子測(cè)量問(wèn)題”的存在，要么沒有解決，要么有許多不相容的解決方案，有力地證明了科學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)在理解量子理論中確實(shí)發(fā)揮著重要作用，正如同統(tǒng)計(jì)學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)在理解通常的概率論中發(fā)揮著重要作用一樣。
許多物理學(xué)家駁斥了這一觀點(diǎn)，他們認(rèn)為，早在有物理學(xué)家之前，量子態(tài)就已經(jīng)在早期宇宙中坍縮了。我想知道他們是否也相信，早在有統(tǒng)計(jì)學(xué)家之前，概率在早期宇宙中也被更新了。
玻爾（Niels Bohr）從未提及量子測(cè)量問(wèn)題。最后，我用他的一句陳述來(lái)做總結(jié)，這句話簡(jiǎn)明扼要地表達(dá)了上述觀點(diǎn)，即不存在這樣的（量子測(cè)量）問(wèn)題，只要其中兩次出現(xiàn)的“我們”不被理解為我們所有人的集體，而是理解為我們每個(gè)人的個(gè)體：“我們描述自然的目的不是揭示現(xiàn)象的真正本質(zhì)，而是盡可能地追蹤我們經(jīng)驗(yàn)的各方面之間的關(guān)系�！蔽蚁嘈牛@個(gè)未經(jīng)確認(rèn)的第一人稱復(fù)數(shù)的模糊性，是仍然困擾著量子力學(xué)詮釋問(wèn)題的諸多誤解的背后原因。
