在这篇博文中，我们将探讨波坍缩的含义，重点关注量子力学的各种诠释中的哥本哈根诠释和多世界诠释，并考虑每种诠释的特点和局限性。
从 19 世纪末到 20 世纪初，开始出现一些仅靠经典物理学无法解释的现象。 麦克斯韦和爱因斯坦发现光既具有波动性又具有粒子性。 马克斯·玻恩预言，粒子也具有波动性。 据说戴维森-革末双缝实验从实验上证明了电子具有波动性。 仔细观察双缝实验可以发现：发射电子的装置、带有两个狭缝的板和屏幕依次排列。 从电子源发射的电子穿过两个狭缝到达屏幕；当观察电子到达屏幕时，会出现干涉图样。 当只有一个缝隙时，就不会出现这种图案。 因此，电子的位置必须解释为同时穿过两个狭缝的波。 量子力学的出现正是为了解释这些现象。 在量子力学中，概率波被描述为自然界的基本组成单元。 概率波用于描述物质状态。 物质状态包括位置和自旋等属性。 概率波表明，某个值并非固定在某一点，而是在每个点上发生的概率都会发生变化。 量子力学是在 20 世纪初建立的，当时及之后的大量实验结果都支持这一理论的有效性。 这一理论的核心是薛定谔波动方程。 作为量子力学的基本方程，薛定谔波动方程描述了概率波随时间的变化。 然而，这种概率波究竟如何与日常生活联系起来，目前仍不清楚。 在日常生活中，我们观察到的结果不是多种状态，而是一种单一的、确定的状态——这该如何解释呢？ 什么是概率波？我们该如何理解它？ 为了解决这些问题，人们提出了量子力学的各种解释。 在之前一次量子物理会议上进行的调查中，参与者被问及他们对每种解释的偏好。 对哥本哈根诠释的偏好率为 42%，对量子信息视角的偏好率为 24%，对多世界诠释的偏好率为 18%。 从调查中可以看出，哥本哈根诠释是物理学界的主流诠释。 哥本哈根诠释是由玻尔领导的学者们在量子力学早期发展起来的诠释。 布莱恩·格林对哥本哈根诠释的核心原则作了如下阐述：“每当我们试图直接观测概率波时，观测行为本身就会扰乱它。”哥本哈根诠释解释说，在观测的瞬间，概率波无法再保持其原有状态，而是坍缩成一个点。 据解释，这种坍缩成一个点的结果就是我们所熟悉的现实。 这个过程被称为波浪崩塌。 量子信息论认为，宇宙本身是由量子信息构成的，而量子信息正是宇宙的本质。 它认为一切都是涉及量子信息的量子计算的结果。 从这个角度来看，整个宇宙有时被视为一台执行量子计算的机器。 塞思·劳埃德写了一本书，有力地论证了这种观点。 在那本书中，他解释了信息的作用以及信息与实际物理定律之间的关系。 例如，他解释了量子计算如何倾向于传播未知信息，并详细阐述了与熵相关的物理定律。 多世界诠释是由休·埃弗雷特提出的。 这种解释不接受波函数坍缩，而波函数坍缩是哥本哈根解释的基石。 相反，它认为宇宙分裂成多个世界，所有可能性都得以实现。 因此，它解释说，在每个世界中，观察者感知到的都是我们所熟悉的现实。 我认为波函数坍缩的概念（可以看作是哥本哈根诠释的核心）缺乏说服力。 正如布莱恩·格林所指出的那样，界定“观察”的边界并不明确。 解释大致如下：当微观物体相互作用时，不会发生波函数坍缩，但当观察者进行测量时，就会发生波函数坍缩；然而，这种解释很难被接受。
人们很自然地会认为物理定律在整个宇宙中普遍适用且完全相同。 既然观察者也是宇宙的一部分，那么我认为量子力学的定律自然也同样适用于所有行为，包括观察。 然而，哥本哈根的解释是，波浪崩塌是由于观察者的观察行为而发生的。 从数学角度来看，波坍缩也是一种不同于普通量子力学操作的操作。 虽然我无法在这里详细解释概率波函数变化的过程，但它可以描述为与具有某些特殊性质的可逆矩阵相乘的操作。 “可逆”意味着结果与导致结果的状态之间存在一一对应的关系。 然而，当波函数坍缩发生时，这种对应关系就被打破了。 系统固定在一个单一状态，无法恢复到原始状态。 在观察性质至关重要的情况下（例如在哥本哈根解释中），有时会引入海森堡切割的概念。 这一概念认为，量子力学定律适用于某个特定边界，超过该边界，波函数就会坍缩。 然而，这条界限并没有明确的定义。 它可以设定在电子或质子等物体的层面，也可以设定在人类等宏观物体的层面。 这令人不满，因为它没有具体说明这条边界应该画在哪里。 薛定谔的猫思想实验就是一个著名的例子，它很好地说明了这种情况。 在这个思想实验中，出现了一个比原子还小的粒子和一只猫。 这种微小粒子会以一定的概率衰变，这一过程可以用量子力学来解释。 旁边放置了一个检测装置。 据说，一旦检测到这种腐烂，就会触发杀死猫的机制。 这就引出了一个问题：这只猫在那一刻是死是活？ 哥本哈根的解释是，猫的状态——是活着还是死了——是在观察到它的那一刻就确定的。 这种解释基于这样一个前提：即使是宏观物体也不会经历波的坍塌。 这表明，即使是大型物体也必须在量子力学的框架内进行考虑。 因此，有一些思想实验将这种情况推向了更加极端的境地。 在这个思想实验中，我们假设一位朋友进行了薛定谔的猫的思想实验，并观察了猫的状态。 在这种情况下，它无法对波函数应该被认为在哪个边界处坍缩给出明确的解释。 关于这个界限，有些人认为观察者的知识程度至关重要，据说这与概率有关。 然而，哥本哈根解释的优点在于能够简单明了地解释观察者观察到的结果。 事实上，它很好地解释了各种实验的结果。 只需在观察实验结果或与宏观物体相互作用时应用波坍缩即可。 这种解释很方便，不需要考虑观测设备的量子态。 尽管波浪崩塌的结果在直觉上难以接受，但它取得巨大成功的原因之一可能是它能够很好地解释实验结果。 正因为波浪崩塌是一种非常不自然的解释，我认为多世界诠释可能是哥本哈根诠释的一种可行的替代方案。 多世界诠释不承认波崩塌现象。 据说这是仅通过关注薛定谔波动方程而得出的一种解释。 由于它不认为观察行为受任何特殊规律的约束，因此它将这一过程解释为波状态的变化，正如从波动方程中看到的那样。 换句话说，人们理解，当进行观察时，波不会坍缩；相反，观察者和物体会进入量子力学纠缠态。 为了理解这种纠缠状态，让我们从多世界诠释的角度来考察一个例子，这种诠释不承认波的坍缩。 电子的自旋方向可以是向上（↑）或向下（↓）。 观测设备是一种测量电子自旋的装置。 假设观测设备的状态显示窗口有三种可能的状态：向上（⟰）、向下（⟱）和空白（）。 让我们先来看看测量之前的情况。 电子自旋和观测设备的状态显示窗口可以描述为相互独立的概率波。 电子不是固定向上（↑）或向下（↓），而是由概率波表示。 实验中，测量装置将被设置为空状态（），并且会有一个概率波函数来表示这种情况。 让我们来看看测量之后的情况。 至此，它已不能再被描述为独立的概率波函数。 整体状态则由一个包含电子和测量装置的单一概率波函数来描述。
具体来说，它由一个单一的概率波函数表示，该波函数仅描述两种可能的情况：一种是电子自旋向上，观测装置的状态窗口指示“向上”（↑⟰），另一种是电子自旋向下，观测装置的状态窗口指示“向下”（↓⟱）。 这种多个状态不再独立的现象被称为“纠缠”。多世界诠释在此基础上更进一步。 以上述例子为例，有两种可能的情况（↑⟰，↓⟱）。 多世界诠释认为世界分为这两种状态。 也就是说，在一个世界中，会出现↑⟰的情况，而在另一个世界中，会出现↓⟱的情况。 据说，仔细研究薛定谔方程后会发现，用这种方式看待它并没有什么重大的数学问题。 如果我们根据观察结果将可能的状态分开，并将每个结果解释为一个不同的世界，那么这就是多世界诠释。 因此，任何可以被视为观察的事件都被视为世界分裂的事件。 因此，每个量子力学上可行的可能性在每个世界中都会实现。 多世界诠释最吸引我的地方在于，它并不把观察行为视为特殊的事情。 由于即使是观察者也被视为受量子力学相同定律约束的世界的一部分，我认为这种解释更具普遍适用性。 然而，多世界诠释面临着许多批评。 对于世界分裂成多个世界意味着什么，目前还没有令人信服的解释。 此外，认为存在多个世界的说法本身就很怪异。 如果世界是无限持续地创造出来的，那么我们根本无法解释我们是如何追踪如此多的世界的。 此外，如果不同的世界完全分离且不能相互影响，那么从观察者的角度来看，其他世界的存在就完全没有意义。 从这个角度来看，解释本身就变得毫无意义了。 此外，多世界诠释中仍有许多挑战需要解决。 首先，必须解决的问题之一就是如何充分解释实际观察者将感知到的世界。 为了解释我们在日常生活中观察到的现象，必须有一种方法从观察者的角度（而不是从整体的角度）来描述现象。 这是因为我们无法直接观察概率波，只能观察其结果。 哥本哈根的解释清楚地阐明了这一点。 哥本哈根诠释认为，我们观察到的世界是通过波函数的坍缩实现的，并且它产生的结果与现实相符。 此外，多世界诠释应该能够解释哥本哈根诠释。 如果多世界诠释是正确的，那么它应该能够从自身的角度解释迄今为止所有的实验结果是如何与哥本哈根诠释的预测相吻合的。 此外，我们还必须确定在什么情况下这两种解释之间可能会出现差异。 因此，与哥本哈根诠释建立联系也是一个重大挑战。 我不支持哥本哈根诠释中的波崩塌概念，因为它在何时应用尚不明确，而且我认为将测量作为一个单独的过程进行处理的做法在普遍性方面是有问题的。 相反，我认为我们应该坚持这样一种观点：整个宇宙都可以被描述为量子力学中的概率波，而观察者也是其中的一部分。 因此，我认为多世界诠释和类似理论可以作为替代方案。 然而，正如前面提到的，这些解释也存在一些问题。 从物理学家参与的调查结果来看，对于量子力学的解释，目前还没有得出明确的结论。 现有的一些解释已被实验证伪。 然而，对于哥本哈根诠释或多世界诠释，尚未进行过此类实验。 或许有一天，我们会开发出能够真正证明这些解释之间差异的实验设计。 或者，我们最终可能会得出结论：所有这些解释都同样有效。 因此，我相信随着我们对物理定律的理解不断加深，解释量子力学的新途径将会开辟出来。 亲眼见证这一过程将会非常有趣。
