科學人 發行日期:2013/07 刊號:137
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【物理學】量子在你心

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

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……

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