哥本哈根学派的量子力学解释面临六大困境

涂润生

本文所说的“现有的正统量子力学理论”是指哥本哈根学派信奉的量子力学理论。现有的正统量子力学理论中的量子力学解释体系存在许多问题。下面列举的6类是量子力学解释体系的主要问题。其中最大的困境是量子力学家认为，实在依赖于观测（观测创造实在）。主观介入观念也属于这一类。

1. 波函数困境。自由粒子在量子力学中通常用平面波描述。这意味着一个粒子在空间任何地点出现的几率是一样的，显然与实验事实矛盾。例如，只有精确地调整单光子探测器的位置，才有可能探测到单光子源发射出来的光子。在量子力学中波包是由许多具有不同波矢量的平面波叠加的结果。如果用一个波包来描述自由粒子，显然与一个自由粒子具有确定能量和动量的事实是不相容的。一个自由粒子能否用一个波函数恰当地描述仍是一个没有解决的问题。现有的正统量子力学有时认为自由微观粒子的波是单色波（例如在解释粒子射线衍射特性的时候），有时认为自由微观粒子是波包（例如，在讨论微观粒子物质波的相速度和群速度时）。这正是波函数困境的反映。

2. 不确定原理困境。根据不确定原理，一个粒子的动量和坐标不可能同时具有确定的值。可是，微观粒子可以与宏观粒子一样服从牛顿或相对论力学方程。这些方程可以同时确定地预言一个微观粒子的动量和位置，是粒子物理理论和实验研究的基础。不确定原理显然与这些事实是无法相容的。现有的正统量子力学谈测量仅限于谈论投影式测量，说测不准也只是指利用投影式测量方法不能同时准确地测量准微观粒子的位置和动量。然而，还存在非投影式测量及保真度较高的只有相干性作用的测量。奇怪的是，在用非投影式测量方法同时准确地测量出了微观粒子的位置和动量之后，量子力学家却不承认那种测量结果。而是用微观粒子的波包坍塌来搪塞（即认为那是微观粒子回到了经典状态）。测准了也不承认，剩下的就只能相信测不准了。但这已经不是事实，而是一种观念。认为非投影式测量的精度不够，也不实结论。实际上是对测量结果的分析方法错误（未使用统计方法）。

3. 薛定谔猫困境。薛定谔1935年提出了著名的“薛定谔猫”的思想实验。按量子力学的叠加原理, 实验中的猫就应该处于生与死的叠加状态上。 换言之, 这只猫既是活的，又是死的。这一结论显然严重违背了人们对客观世界的认识，是不能令人理解的。“薛定谔猫”的思想实验将微观过程与宏观过程联系起来了，宏观过程不会出现活死猫叠加态，微观粒子也就不会处于两种量子态的叠加态。在“薛定谔猫”的思想实验中，不只是猫处于活死的混合态，那个毒气瓶也处于破损和完好的混合态。这种混合态更难理解——瓶子破损的程度到底咋样（是破碎成8块还是36块?），我们永远不知道。活死猫混合态和好瓶破瓶混合态都只能是非实在的状态——只能用活死混的概念和好瓶破瓶混合态的概念，但都不能是客观的混合态（如果是客观的混合态就必须知道死猫是侧卧还是仰卧，瓶子是破碎成8块还是破碎成36块，还是粉碎性破裂）。

4.量 子纠缠态困境。根据哥本哈根学派诠释，如无论处于自旋纠缠态中的两个电子被分离得多么远，如果对其中一个电子进行了测量，另一个电子的状态就会瞬间发生变化。这种引起远距离电子状态发生变化的“作用”传播的速度是超光速的，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”，无法给出合理的物理解释。

5.单光子干涉困境。单光子干涉一值是量子力学中难解的奥秘。现在许多单光子反聚束与干涉实验已经完成。如何恰当地解释或者理解这些实验对量子力学提出了更加严峻的考验。

6. 实在性困境

上述3和4两个困境实际上是由实在性困境导致的。但那不是非实在状态的全部。因此，量子力学的实在性困难可以单列。

物质的组成和结构决定物质的性质。现有量力学不承认粒子具有明确的结构和状态（属性）。也就不承认微观粒子的物理实在性。现有正统量子力学家认为，量子叠加态是一种依赖于环境的非实在的状态。即使是单粒子体系，其状态也是不确定的依赖于外界环境的非实在的状态。不清楚不等于不实在，“不清楚”只是人的认识局限造成的而不是事物的本来面目。现有的正统量子力学家认为，不清楚的量子状态是非实在的状态，它依赖于环境对它的作用而变为实在的状态。物质的唯一特性是客观实在性。客观实在性是一切可以从感觉上感知的事物，既包括可以从感觉上感知的自然事物，也包括可以从感觉上感知的人的感性活动即实践活动。它独立于我们的精神而存在，构成世界物质统一性原理。量子力学的非实在性观念，显然违背马克思主义的实在性观念。

这些困境如同漂浮在量子力学上空的几朵乌云一样，近百年来一直笼罩在许多物理学家的心头。同时，这些困境也告诉我们：哥本哈根学派诠释存在着严重缺陷，有待于进一步完善和修正。

（注:本文采用了刘山亮科学网博客中的《量子力学的困境》一文中量子力学困境的分类方法和和问题描述。本作者作了补充和修改。）