今天发布曹天元《上帝掷骰子吗？——量子物理史话》（升级版）介绍的第四部分。
摘要：对标准量子理论的再阐发，主要是为了解决坍缩的问题——薛定谔提出的那只令人头痛的既死又活的猫。主要有平行宇宙理论、隐变量理论、系综理论、退相干历史理论、自发定域理论等，其实都还是假说（hypothesis），有待进一步的验证。
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01 多世界理论
——天堂和地狱同在？
如何绕开坍缩和观测者,重回经典物理轨道？
埃弗莱特
1954年埃弗莱特提出了多世界理论(MWI :many worlds interpretation)它有时也称为平行宇宙。
n维空间中的一个点，可以用n个变量来唯一描述，反过来n个变量也可以用一个n维空间中的n个点来表示。在每一个时刻t，粒子都有一个确定的位置坐标（q1，q2，q3），还有一个确定的动量p。动量p是一个矢量，在每个纬度方向都有分量，所以可以用p1、p2和p3分别表示它在三个方向上的速度。总而言之，要完全描述一个物理质点在t时刻的状态，一共需要6个变量，它们可以用六维空间中的一个点来表示。所以六维空间中的一个点可以描述一个普通物理粒子的经典行为，这个全新构造出来的高维空间，在经典理论中，称为系统的相空间。
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量子理论把经典的相空间改造成希尔伯特矢量空间，一个复杂系统的状态可以看成某种高维空间中的一个点或者一个矢量。
埃弗莱特认为，宇宙由多个互不干涉的子宇宙组成。宇宙只有一个波函数，它按照薛定谔方程唯一确定地演化。宇宙的整体态势量是众多子矢量的叠加，每一个子矢量都是在某个子宇宙中的投影，分别代表了薛定谔方程的一个可能的解。一句话，对整个宇宙而言，波函数没有发生坍缩。
MWI重新回归了经典的决定论，它最大的贡献是排除了观测者因素，宇宙重新成为唯一的主角，任何观测者都是它的一部分，随着它的演化分裂投影到各子宇宙中去，而这过程只取决于环境的引入和不可逆的放大过程。
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标准量子论认为，猫始终只有一只，它开始时处在生/死的叠加态，坍缩后有50%的可能死，50%的可能活。而MWI 则认为每次实验必定同时产生一只活猫和一只死猫，只不过它们存在于两个平行宇宙中。如果把猫换成人，那么你活着的那个宇宙，对你来说是唯一有意义的存在。也就是说，你活着是必然的。只是对旁人来说，你可能活在另外的宇宙。
多宇宙理论的推论就是一旦一个意识开始存在，从它自身的角度来看，它必定永生。我们似乎看到了灵魂说的影子!
02 玻姆隐变量理论
——时光可以倒流？
早在1927年的德布罗意发现每当一个粒子前进时，都伴随着一个波。但德布罗意并不相信玻尔的互补原理，亦即电子同时又是粒子又是波的解释。德布罗意想象，这个波就像盲人的导航犬，指引着电子的运动，这就是德布罗意导波。假如把隐变量考虑进去，整个系统是确定和可预测的，符合严格因果关系。
1932年的冯·诺伊曼证明：任何隐变量理论都不可能对测量行为给出确定的预测。德布罗意不幸遇到玻尔和冯诺伊曼这两位那个时代的光辉人物，他不像玻尔那样顽强而充满斗志，而是以一种贵族式的风度放弃了他的观点，皈依到哥本哈根门下。
戴维玻姆的著作
玻姆发现冯诺伊曼的证明，前四个假设都没有问题，但第5个假设是错误的。1952年玻姆成功创立新的隐变量理论，玻姆隐变量理论是德布罗意导波的增强版。
他认为电子或者光子始终是一个实实在在的粒子，不论我们是否观察他，他都具有确定的位置和动量，而且还具有量子势。量子势按照薛定谔方程发展，在电子的周围扩散开去，它所产生的效应和它的强度无关，而只和它的形状有关，这使它可以一直延伸到宇宙的尽头，而不发生衰减。当一个电子向一个双缝进发时，它的量子势会在它到达之前便感应到双缝的存在，从而指导它按照标准的干涉模式行动。如果我们试图关闭一条狭缝，无处不在的量子势便会感应到这些变化，从而引导电子改变它的行为模式。特别是，如果你试图去测量一个电子的具体位置的话，你的测量仪器将首先与它的量子势发生作用，这将使电子本身发生微妙的变化，这种变化是不可预测的，因为主宰他们的是一些隐变量，你无法直接探测到他们。
玻姆隐变量理论放弃了经典理论的定域性。定义域性是指在某段时间里，所有的因果关系都必须维持在一个特定的区域内，没有超光速信号的传播，就是不能有超距作用的因果关系，这是相对论的精神。但是在玻姆的理论里量子势可以瞬间把他的触角伸到宇宙的尽头，一旦在某地发生什么，其信息立刻便传达到每一个电子耳边。
03 贝尔不等式欲回归经典
——却彻底导致ERP佯谬的破产
哥本哈根学派认为A、B两个粒子在相隔非常遥远的情况下，在不同方向上仍然可以表现出很高的协作程度，就是我们经常听到的量子纠缠，因为他们在被观察前，是一个整体，处在一种纠缠的状态，具有不可分离性。
玻尔的学生约翰·斯图尔特·贝尔却从内心深处追随爱因斯坦的传统经典思想，他把爱因斯坦的EPR思维实验扩展到三维（x，y，z），由两个观测者分别观测粒子A、B的自旋，然后演算两者的相关性（Pxy, Pxz, Pyz），推导出了著名的贝尔不等式|Pxz -Pyz|≤1+Pxy。假设世界同时满足定域性和实在性（实在的，就是存在的一个独立于我们观察的外部世界），那么我们任意取三个方向观测，A和B的自旋所表现出来的协作程度（相关性）必定要受限于贝尔不等式。而贝尔不等式不可能被突破，所以两个粒子不可能发生纠缠。
但是，从1969年开始陆续有物理学家对EPR模型进行实验，但结果几乎都模糊地指向量子论的预言是正确的。具有决定性影响的是1982年法国的阿斯派克特实验，实验结果和哥本哈根学派的预言完全相符。
在全世界各地的实验室里，粒子们都顽强的保持着一种微妙而神奇的联系。2015年10月，荷兰的一个小组进行了有史以来第1次对贝尔不等式的无漏洞验证实验，结果在最严格的条件下，量子论仍然取得了最后的胜利。
终于，玻尔和爱因斯坦长达数10年的论战硝烟散尽，量子论以胜利者的姿态笑到了最后，爱因斯坦的上帝死了。
贝尔不仅没有把世界拉回经典理想中来，反过来把它推向了绝路，定域性不成立！
定域的隐变量理论是不存在的，我们的世界不可能如同爱因斯坦所梦想的那样，既是定义域的，又是实在的。那么我们必须做出抉择，要么放弃定域性，要么放弃实在性。
如果放弃定域性，那就要承认超光速信号的存在，超光速意味着获得了回到过去的能力。但玻姆的隐函数理论仍然可以存活，因为他认为虽然在一个深的层次存在着超光速的信号，但我们却无法刻意与有效地去利用它们来制造逻辑怪圈。
如果放弃实在性就要承认在我们观测之前，两个粒子不存在于客观实在之内。那么是采纳哥本哈根解释彻底否定决定论，还是采纳MWI解释保留决定论？
贝尔不等式被否定以后，BBC和当代最有名的科普作家保罗戴维斯教授请8位在量子论领域最有名望的专家进行了访谈。访谈记录于1986年出版，书名《原子中的幽灵》，在书中你可以发现专家们是如何各抒己见，在同一问题上抱有极为不同甚至截然对立的看法。
04 系综解释
——鸵鸟政策？
系综解释：物理量只对平均状况才有意义，对单个电子来说，是没有意义的，它无法定义！我们无法回答单个系统，比如一个电子通过了哪条缝这样的问题，而只能给出一个平均统计！
系综和隐变量实际上存在着相同的文化背景，但是隐变量理论仍然怀着满腔热情去寻找隐藏在它背后的那个更为终极的理论，试图把隐变量找出来，最终实现物理世界梦想的最高目标——理解和预测自然。
系综解释则是保守的，他们认为我们的世界本质上都是统计性质的，没有一个物理理论可以描述单个事件，在我们的宇宙中只有系综或者说事件的全集才有物理意义。
但是“系综”本身的定义也是主观的，也就是说宇宙中所有的物理现象（包括系综概念本身）其实都是由我们主观决定的，而根本就没有什么客观的物理量。
05 GRW理论
——绕过障碍
1986年7月，三位意大利物理学家发表了题为《微观和宏观系统的统一动力学》，从而开创了GRW理论。
这一理论认为，微观系统处于叠加状态，但定域过程（近似于坍缩概念）的确偶尔发生，是自发的，整个系统中的粒子都是互相纠缠的。少数几个粒子的自发定域会非常迅速的影响到整个体系，像多米诺效应一样，最后整个宏观系统会在极短的时间里完成一次整体的自发定域，既不需要观测者，也不牵涉到意识，完全是个随机过程。
这一理论可以一视同仁的解释微观上的量子叠加和宏观上物体的不可叠加性。但它的问题是：
第一、坍缩是观测导致的精确定位，而自发定域实际上是指一个粒子的位置从一个非常不精确的分布变成一个比较精确的分布，它与观测者无关。
第二、GRW理论抛弃了能量守恒。自发的定域使得能量守恒实际上不成立，但破坏性及其微小，所需等待的时间及其漫长，使得人们根本注意不到它。
第三、薛定谔方程是线性的，GRW 用密度矩阵方程取而代之，实际上把整个理论体系变成了非线性的。
06 退相干历史理论
——我们看到的只是假象
MWI理论认为，历史只有一个，但世界有很多个。
霍金和哈特尔
哈特尔和盖尔曼则假定，世界只有一个，但历史有很多个。从物理的角度讲，历史是一个系统所经历的一段时间，以及它在这段时间内所经历的状态的变化。在量子力学中由于普朗克尺度的存在，时间是不连续的，当一个系统的历史足够精细时，他们就会纠缠在一起，产生相干性。
MWI理论认为当我们只谈论微观物体时，涉及的粒子数量极少，用以模拟它的希尔伯特空间维数相对也较低。而一旦我们考虑宏观事件，比如用仪器测量或者我们亲自去观察时，我们就引入了一个极为复杂的态矢量和一个维数极高的希尔伯特空间，在这样一个高维空间中，两个子世界之间的联系被自然地抹平了，他们互相正交，彼此失去了联系，这一过程叫做离析或者退相干。量子叠加态在宏观层面上的瓦解，正是退相干的直接后果。宏观与微观之间的关键区别就在于其牵涉到的维度（自由度）的不同。
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夸克之父盖尔曼
哈特尔和盖尔曼将退相干理论引入对历史的解释，把历史分成粗略历史和精细历史，根据费曼的路径积分理论，精细历史是叠加的，粗略历史是退相干的，这就是他们的退相干历史理论（DH理论）。
我们通常观察到的正是粗略的历史。也就是说，我日常所见的世界只是我们的幻觉，因为我们获取的不是精细的历史信息。假如我们有超能力，我们就会发现真正的历史是纠缠而相干的。
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