科学家期待新方法推动当代物理学前进

物理学家花了一个世纪的时间试图思考量子理论中的悖论，现在一些人正试图改革它。来源:ANDY POTTS

说实话，几乎没有物理学家真正对量子理论完全满意，但是一个多世纪之后，他们已经能够有效地将该理论用于科学研究。物理学家现在经常使用数学方法来研究量子行为，并给出惊人精确的计算，包括分子结构、高能粒子碰撞、半导体行为、发射光谱分析等。

问题依然存在。

然而，这种结合量子物理和数学的研究方法正变得非常程式化。一旦研究人员开始进一步思考数学方法对量子物理研究的重要性，一个看似坚不可摧的屏障就在他们面前。有什么东西既能作为粒子又能作为波存在吗？奥地利物理学家埃尔温·薛定谔为了证明宏观条件下量子力学的不完全性而提出的意识形态实验“薛定谔猫”能同时生存和死亡吗？即使是最温和的方法也能对穿过宇宙的粒子束产生一定的影响吗？

许多物理学家通过改进尼尔斯·玻尔、维尔纳·海森堡和他们的同事在20世纪20年代给出的“哥本哈根解释”来回应这些“异常”问题，他们是现代量子理论的创始人。根据这种解释，这些奇怪的现象反映了人类对世界认识的局限。所有人能做的就是接受这个事实，或者像纽约伊萨卡康奈尔大学的物理学家大卫·梅明所说的:“闭嘴，计算。”

然而，总有一些科学家不愿意对未知事物“闭嘴”。他们决心打破障碍，彻底理解量子理论的真正含义。当俄勒冈州波特兰大学的物理学家马克西米连·施洛斯豪尔提到不确定性原理时，他说:“我们可以依靠这个抽象的存在来追求这个世界。波函数描述了系统中概率的不同状态。所有其他与量子理论相关的数学工具都可以在教科书中找到。”

在过去的10年里，一些质疑者开始认为，只有彻底推翻抽象的实体并重新研究，才能推动量子物理学向前发展。尽管这些怀疑者属于不同的学派，而且每一个一流的政党重建量子理论的方式也有所不同，但这些科学家有一个共同的信念:在过去的一个世纪里，物理学家对量子理论的研究误入歧途，使其变得古怪、僵化、尖锐和难以解释。他们相信，如果能找到正确的路径，一切都会变得清晰，长期困扰科学家的难题(如量子引力的本质)将会自然解决——他们的重点可能是广义理论的概率理论。

加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所的克里斯托弗·富克斯说:“最理想的研究方法可以用简单的语言逐字逐句地写成一个故事。它是如此奇妙和富有想象力，精确的数学研究方法根本无法描述它。这是毫无疑问的。”

合理的提议

英国牛津大学的吕西安·哈代是探索这一理论的第一批先驱之一。他认为，量子理论可能来自一系列“非常合理”的公理——关于如何在任何系统中计算概率，比如扔向空中的硬币。

哈迪开始注意到，通过测量一定数量的“纯”态(在掷硬币实验中用n表示)，可以指定一个经典系统。掷硬币的结果不是正面朝上就是背面朝上，n代表两种可能性。在掷骰子的实验中，骰子的六个面之一将朝上，n代表六种可能性。

然而，在量子世界中，概率的作用是不同的。例如，测量电子的旋转可以区分两种纯态，这可以粗略地描述为顺时针旋转或逆时针旋转，这被称为垂直轴。然而，电子旋转是两个量子态的结合。哈代用连续性公理来解释这一现象，连续性公理要求纯状态以一种平稳的方式从一种状态变化到另一种状态。这条公理证明，至少需要N2测量来完全指定一个系统——一个对应于标准量子的关系。

然而，哈迪说，原则上，连续性公理也允许高阶理论——系统的完整定义需要N3、N4或更多的测量——导致与标准量子的细微偏差，这种现象可以在实验室中观察到。然而，他没有试图详细分析这种可能性。他更大的目标是展示如何将量子物理学重建成一般的概率理论。他说，令人信服的是，这个理论可能是由19世纪的数学家推导出来的。

富克斯认为哈代的论文令人兴奋。富克斯说:“它像锤子一样唤醒了我。从那以后，它重塑了我的思维，让我专注于探索概率方法。”

知识差距

富克斯的同事罗伯特·斯佩肯斯认为，如果自然真的在某种程度上限制了观察者能够理解的信息量，那么就有一个知识平衡的原则:观察者能够掌握的关于某一事物的信息量永远不会超过他不能掌握的信息量。为了使上述观点更容易理解，富克斯改写了基于经典概率论-贝叶斯推理的标准量子理论。

根据贝叶斯观点，概率的发生不是内部决定的，它与事物本身无关，而是与观察者对概率发生的信任程度有关。Fuchs贝叶斯定理量子物理学提供了一个全新的理论框架，使得已知的量子现象可以用新的公理来解释，而不需要使用数学结构如波函数来解决它们。

知识通常用观察者对某个系统的信息量来衡量，这是其他量子理论重建方法的焦点。波兰格但斯克大学的物理学家马尔钦·保罗？Owski和他的同事们正在研究他们所谓的“信息因果关系”原理:如果一个实验者Alice把她的研究数据发送给另一个研究者Bob，不管Bob对Alice的研究了解多少，他能掌握的信息量最多不会超过Alice发送给他的信息量。爪子？Owski和他的同事发现这个假设适用于传统物理学和标准量子力学，但不适用于替代理论。

这些重建量子理论的努力最令人惊讶的是，它们暗示了支配宇宙运行的客观规律只是许多数学可能性中的一种。施洛斯豪尔说:“我们认为只是量子物理特征的许多东西实际上是许多未被发现的可能性的共性。这使我们把注意力集中在量子论的特征到底是什么的问题上。”

哈迪认为，近年来量子理论重建的步伐加快了，因为许多研究者认为他们找到了正确的道路。但是谁能判断这些努力是否成功呢？哈代说:“我想说判断成功的最基本的标准是更加理论化。我们对量子理论有更深的理解吗？这些新方法是否激励人们促进当代物理学的发展？”他希望这些原理有一天能帮助量子引力理论的发展。(段鑫)

中国科学新闻(2013-09-18第三版国际版)