“哥本哈根”量子力学说，只有在对现实进行测量之前，它才存在，因此许多人继续寻找这种解释的替代方法
1915年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在他的朋友的帮助下，发展了
引力理论 ，从而使一切我们认为是物理现实基础的事物都发生了变化。 关于我们所居住的空间无法用欧几里得几何学完全描述的想法是不可理解的； 如此之多，以至于哲学家伊曼纽尔·康德（Immanuel Kant）在许多方面都是激进的思想家，他说，物理学理论无法应对。
物理学家维尔纳·海森伯格（Werner Heisenberg）随后
指出了康德错误的含义。 这位伟大的哲学家推测，我们对欧几里得古代几何学的直观理解意味着它是物理现实的必要基础。 实际上，事实证明这是错误的，对康德的整个哲学体系提出了质疑。
尽管爱因斯坦的理论与时空观念发生了根本性的突破，但爱因斯坦的理论很快就与牛顿的思想融为一体，成为“
古典物理学 ”的一部分。 人类之所以被迫这样做，是因为科学思想的革命如此之深，以至于它在科学史上创造了光明的踪迹：量子物理学理论的发展。
有什么比广义相对论更深的科学革命呢？ 有什么能比在空间和时间本身受物质弯曲的思想影响下产生构造转变的力量呢？
要理解这一点，我们必须首先尝试理解：这就是量子力学固有的内在奇特性。 一旦我们在量子世界中感到不舒服，我们就会开始理解为什么在舞台上出现KM之后，物理学家们试图为其创建替代方案-替代方案通过实验重现相同的奇妙对应关系，同时又保留了与我们深层思想相符的经典核心部分对自然
应该如何表现的直觉理解。
所有你知道的是错的
我们对现实本质的深刻直觉理解源于童年时代开始的观察和与周围世界的互动。 甚至在表达它之前，我们就开始了解因果关系。 发生任何事件的原因是已发生的另一事件。 世界是可以预见的。
后来我们变得更加复杂。 我们承认，我们对原因的理解是有限的，并且我们知道其后果的不确定性。 也许我们甚至研究概率论和统计学，并学习如何以数学形式表达我们知识的极限。 但是我们认为，这些只是我们的局限，幕后自然对我们而言是无形的，继续使用因果关系的确切规则。 当我们投掷硬币时，仅缺少有关硬币和空气运动的信息，这使我们说鹰落下的概率为一秒钟。 我们假设，如果我们
知道所有细节，并且拥有一台足够大的计算机来执行计算，那么我们就不必依赖概率了。
但是，这种“现实的”事物观无法幸存（也没有幸存）在光子和其他亚原子粒子的实验中获得的硬数据。 不是由于物理学家的顽强顽固性，他们决定创造一种与我们对现实最宝贵的直觉感觉相矛盾的理论：实际上，这些实验结果顽固地拒绝与任何经典解释相对应。 量子形式主义的发明是一种绝望的行为-唯一起作用的。 如果我们只问量子理论所允许的问题，我们将得到正确答案的回报。 但是，如果我们坚持使用古典世界的概念来努力弄清理论告诉我们的内容，那么我们将会感到困惑。
作为一名物理专业的学生，我看到了一个培训演示，它使我得以简要了解我们周围世界的无形怪异。 您可以在家中仅使用手电筒或激光指示器，以及三个
偏光滤镜 （也可以使用破损太阳镜中的偏光眼镜）重复此实验。 将两个过滤器连续放置，在它们之间留一个空隙。 使光线穿过这一对，并转动一个滤光片，直到光线停止通过为止。 它们的偏振轴垂直。 现在
，在前两个
之间插入第三个过滤器。 您将看到光线开始通过这种结构：以某种方式，添加一个额外的滤镜可以使光线通过。
该演示是量子力学课程入门部分的一部分。 数周以来，我们一直沉浸在量子理论的形式主义中，这种看似矛盾的行为是由此产生的琐碎后果。
有人声称
没有悖论 ，可以用经典方法解释这种行为。 从某种意义上说，它们是绝对正确的。 但是，桌面演示的结果使已经熟悉经典物理学的学生惊讶，显然来自量子形式主义。 那意味着什么。
电子的两间隙实验 。上世纪前几十年的科学家面临着令人惊讶和莫名其妙的实验结果。 经常提到上面的实验有两个插槽。 用电子或光子执行此实验，我们得到相同的结果：一张干涉图，好像是两个狭缝产生了两个干涉波。 这表明光是波，甚至具有质量的粒子（如电子）似乎在诸如波的条件下也会表现出来。
但是实验可以通过两种奇怪的方式改变。 首先，如果您减慢粒子（光子，电子或什至整个分子）的发射频率，以便一次仅一个粒子通过狭缝，那么结果将不会改变。 这应该意味着粒子以某种方式分为两个，穿过两个缝隙并与自身相互作用！ 其次，如果您对设置进行任何更改以固定粒子穿过的间隙，那么干涉图案就会消失，并被如果粒子是不具有波动特性的普通粒子所期望的图案代替：只有两个对称分布，相对于每个插槽居中。
很难找到一种可以解释结果并适合所有人的理论。 似乎光子或电子有时决定像波一样，有时像粒子一样，这取决于实验者想要看的东西。
然后，一切变得更加陌生。 技术发展到一定程度，我们可以选择在粒子开始飞行
之后要执行的测量类型。 这种“延迟选择”实验的结果保持不变。 如果我们查看粒子选择了哪个方向，则干扰将被消除。 可以这么说，如果我们转身离开，那么熟悉的干扰模式就会返回。 尽管如此，在穿过裂缝之前以及创建实验的最终配置之前，粒子必须“决定”是像粒子还是像波。
延迟选择的实验结果导致不止一名物理学家做出这样的假设：有关粒子或波的行为选择的信息会从粒子通过设备之前的某个时间的选择时间及时传回。 完全认真地讨论了这个假设这一事实，应该使您了解使用从我们对世界的现实观点中得出的一系列概念（例如
因果关系 ）来解释微观世界中的实验结果有多么困难。 时光倒流的解释一直持续到最近一刻，当时我们以类似的方案
进行了慢氦原子和冷氦原子
的实验 。 因此，原子仅在重力的影响下通过设备，因此在通过瞬间与选择观察方法之间经过了相当长的时间。 尽管物理学家有时将某些非常快速的亚原子过程描述为使用有限形式的时光倒流，但氦气实验的持续时间较长，因此无法做出这样的解释。
还剩下什么呢？ 这些和许多其他实验的结果根本无法使用基于现实的传统概念来描述：对象存在具有一组特定的属性； 如果我们决定不衡量单个财产，它仍然具有某些意义。 物理学家早在量子革命之前就已经有过处理不确定性的经验，但是这种不确定性是完全不同的类型。 这是
知识的不确定性，意味着在我们直接感知的情况下，未知的，但存在的确定性现实水平。
如果我们抛弃所有对于理解世界至关重要的概念，那为什么要取代它们呢？ 毕竟，它们不仅成为我们日常体验的直观组成部分，而且还充当了其他科学领域的基础。
我们看不到的
在19世纪，微观上的决定论导致了物理学中概率推理的第一个巨大成功：
气体动力学理论 。 它基于古老的思想，即物质由大量相互排斥的简单原子组成，就像亚微观的乒乓球一样。 归功于一些简单的假设，以及创建动力学理论的大量数学知识，科学家们得以推导出我们所熟知的热力学定律，即理想原子行为的平均值。 动力学理论表明，我们无法直接观察到的许多过程的平均行为会引起我们观察到的现象。 但是，这些平均行为的行为符合经典力学的著名确定性定律-整个理论都基于它们。
显示布朗运动的粒子。即使在20世纪，许多科学家也不相信原子的存在。 转折点是爱因斯坦在1905年发表的有关布朗运动的文章。 它使用统计推理，表明悬浮在水中的花粉颗粒的随机运动可以通过轰击一组不可见的颗粒来解释。
爱因斯坦不是因为这项工作，也不是因为1905年的另一篇文章而获得诺贝尔奖，在那篇文章中，他介绍了相对论E = mc
2 。 该奖项是授予他同年出版的另一本致力于光电效应的作品的。 该出版物无意间启动了导致我们经典现实崩溃的过程。
爱因斯坦的获奖文章解释了关于光与物质相互作用的实验的许多神秘结果。 据推测，光是通过离散量的称为
量子的能量从物质吸收和发射的。 这项工作标志着量子物理学的诞生-爱因斯坦的这个孩子开始朝着甚至对自己的父亲都感到恼火的方向发展。
接下来的二十年见证了原子物理和化学新领域中实验研究的爆炸式增长。 电子从原子的束缚中解脱出来，开始直接进行实验。 实验结果开始出现更多奇怪的现象，出现了许多不完整的理论和模型，以及描述微观世界的数学解释。 一切逐渐开始融合，物理学家终于能够预测实验结果。 但这需要一个不寻常的抽象数学结构，以及一套将其与自然界的可测量方面（即量子力学）联系起来的规则。 （这个故事在大卫·林德利
（ David Lindley）
写得很好的书中讲述了。）
到二十世纪第三十年，几乎所有科学家都接受了原子甚至更小的粒子的存在。 但是他们将它们表示为熟悉的物体的看不见的细小版本：行星，台球和沙粒用于比较。 大多数不属于创造或理解新理论的小圈子的科学家都认为，这是气体动力学理论的另一种形式。 如今，大多数人可能会以类似的方式思考：微观世界中的原子和其他组成部分可能具有奇异的特性并遵循奇怪的数学规则，但至少它们参与了我们所知道的现实。 但是，量子力学则相反。
尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）（其受到麦克斯·伯恩（Max Born）和维尔纳·海森伯格（Werner Heisenberg）的重大影响）是其发展过程中的关键人物之一，他也是物理学史上最奇怪的人物之一。 玻尔是一位物理学家-哲学家，他因念出冗长，详尽，有时难以理解的句子而使同事感到厌烦。 尽管他毫无疑问地完全了解该理论，并且以在原子研究的最初阶段解决多个难题而闻名，但他通常更喜欢闲谈，毫无意义的对话，而不是操纵方程式。 他坚持需要
理解一切
的含义。 （他对意义的追求并未被其他一些量子物理学的先驱共享，因为他们已经开始使用“
闭嘴和计算”方法进行研究。）
Niels Bohr的家庭徽章。玻尔在一定程度上受到他帮助创造的物理学理论的启发，逐渐开始发展其神秘面，甚至在他的徽章上添加了“阴阳”符号。
最初，对量子力学的理解或解释被称为
“哥本哈根解释” ，以纪念玻尔大学。 即使没有正式定义，它仍然是量子力学的标准观点。 而是，这是一组与实验室中可以观察到的理论部分有关的普遍认可的实践规则。 它们可以以多种方式制定； 这是一个反映主要方面的现代理解的版本：
- 系统的状态（位置，动量等）完全由系统的“波函数”决定，波函数是根据量子力学方程确定性地转换的数学对象。 波动函数不能直接观察到； 但是，这使我们有可能在测量时发现系统处于特定状态。 这样的“系统”可以是基本粒子，例如电子和质子，原子甚至大分子。 在测量过程中，波动函数及其概率“收缩”到测量值。
- 除了计算概率外，没有“现实”。 没有确定性的基础层。 没有隐藏的机制可以记录进行测量之前要测量的内容。 这些概率并不像经典的统计物理学那样反映出我们缺乏知识，因为没有什么可知的。 只有几率。
- 可测量结果的基本限制由不确定性关系描述：可以同时以一定的精度测量某些对量（位置动量和时间能量为示例）。 这与技术或实验方法无关。 这些限制是自然的一部分，无法避免。
哥本哈根的解释很好地解决了围绕现象的所有复杂问题，例如上述延迟选择的实验。 无需发送时空传播的神秘信号，也无需创建旨在保留我们对现实的观念的复杂理论。 我们只需要放弃这些想法，并接受一个事实，即无论其度量如何，都不存在属性。 值只有在被测量时才是真实的，量子力学告诉我们它们只是各种现实的概率。
有没有出路？
量子力学的结果以及哥本哈根的解释是直觉，离奇的和隐喻的不可接受的。 正是爱因斯坦的首要地位和对因果关系的破坏使爱因斯坦反对上帝“不与世界玩骰子”。 那么，为什么物理学家乐于接受这一理论呢？ 我们为什么不能说可能存在确定性的“隐藏参数”，这些已成为量子世界概率的原因？
最重要和直接的原因是贝尔定理。
这个定理由约翰·斯图尔特·贝尔（ John Stuart Bell）在1964年证明，表明如果存在我们无法测量的隐藏参数层，那么某些实验应该会给出某些结果。迄今为止，有许多证据表明，极其精确的实验表明测量不会产生这样的结果。逻辑需要认识到在微观世界中没有未知的确定性层。贝尔定理只能在一种情况下允许我们的实验结果和确定性隐藏参数共存：这些参数的影响必须比光速传播得快。但是，这样的影响不可能是真正的经典信息传递，因为相对性的特殊理论排除了这种可能性。正如爱因斯坦指出的那样，以比光速更快的速度移动信息将进一步违反我们关于因果关系的观点：即使在宏观层面，它也将使影响先于原因。另一种可能性是允许隐藏参数传递量子力学的短暂效应，该效应即刻传播，但不会传递经典意义上的信息。爱因斯坦嘲笑称这些神秘的影响为“可怕的远程行动”，但正是借助它们，我们才能解释缠结粒子的测量结果。对他们来说，测量粒子的状态可以告诉我们测量任意距离的另一个粒子的结果是什么。避免贝尔定理影响的理论允许存在一定距离的隐变量，这些隐变量在远处传递一些瞬时效应，这些理论被称为“隐参数的非局部理论”。但是它们是使量子力学对我们更舒适的唯一方法。鲜为人知的Schrödinger管实验。自由是有代价的
物理学家从量子力学的第一天开始就一直在寻找一种摆脱现状的方法，您应该不会感到惊讶。但是，如果贝尔定理让我们无路可走，又有什么可能呢？任何定理总是基于假设，无论是显式的还是隐式的。贝尔的证明使用相当简单的数学，似乎没有应用我们不会接受为真的假设。但是，极其复杂的问题激发人们采取绝望的措施。量子理论家通过研究其中的一些隐性假设来寻找哥本哈根解释的替代方法-这些假设很少有人质疑，因为没人能想象它们是不正确的。量子逻辑
这些未探究的假设之一会影响任何推理（包括数学）所基于的逻辑规则。改变逻辑本身，试图替代某些东西的量子力学的解释称为量子逻辑。这个知识领域有一个可敬的血统书，起源于约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann），他是一位杰出的学者，他写了量子理论的早期数学公式。早在1930年代，他就证明了该理论的数学结构与逻辑相联系，而逻辑又不同于亚里斯多德逻辑的基本物理学。这个领域的研究仍然是一个充满异国情调（令人愉快）的研究领域。到目前为止，还没有人创造出一种功能全面，令人满意的替代哥本哈根的解释。尽管该领域非常深入且神秘，但有一些简单的示例说明了熟悉的逻辑如何无法很好地适应量子世界，以及如何创建替代方法。文献中的第一个是关于状态叠加的独特量子概念。在量子世界中，通常的现实概念被波动函数所取代，波动函数使我们能够检测处于各种状态的系统。如果系统只能处于两种状态之一，那么在执行测量本身之前，它处于既不处于叠加状态又不处于叠加状态的状态。一个流行的例子是对Schrödinger猫的思想实验，在打开它所在的盒子之前，这只猫既活着又死了。实验与古典力学和我们对现实的日常观念存在巨大的冲突：“猫”要求系统实际上处于两种可能的状态之一，只有测量行为才能向我们揭示这种状态。ErwinSchrödinger赋予叠加含义的一种可能方法是应用其他逻辑规则。按照我们通常的逻辑，如果陈述p（例如，“电子处于自旋向下取向的状态”）为假，而陈述q（“电子处于自旋向下取向的状态”）为假，则p∨q（其中∨表示“或“）也必须为假。这正是经典测量所发生的。在量子力学中，除非进行测量，否则p不能为真。从古典意义上来说，应将其视为“假”还是其他问题是另一个问题。同样，q也不能为真。但是，组合p∨q 必须为真，因为这是在测量之前电子所在的叠加的定义。因此，与亚里士多德逻辑相反，当p和q都不为真时，我们的量子逻辑应允许p∨q为真。依靠逻辑规则本身的变化似乎很奇怪。但是通过这种方式，我们可以将量子力学的陌生性降低到一两个层次，从物理层次到规则层次，我们可以将其用于推理。随机力学
这种解释或量子力学的解释使逻辑保持完整，但增加了新的物理过程。现代和有前途的随机力学分支始于1966年爱德华·纳尔逊（ Edward Nelson）的一篇文章，他大胆地宣称：“在本文中，我们必须证明，四十年前由于量子力学的出现而引起的与经典物理学的根本偏离是没有必要的。”本文的主要结果令人印象深刻：作者推导了薛定r方程-量子力学的中心方程-假设粒子暴露于快速振荡的随机力中。因此，微观粒子（例如电子）表现出类似于布朗运动的东西。导出方程式后，纳尔逊（Nelson）积极运用统计物理学中的数学。自纳尔逊（Nelson）发表文章以来，这一领域稳步发展，并吸引了一大批研究人员。她的一些有趣的成就包括解释了量化角动量（“后退”），量子统计以及著名的两件式实验。但是，随机力学距离取代哥本哈根的解释或传统的量子力学还很远。它在远处使用看起来像是非物理的瞬时动作，并且在某些类型的测量中给出错误的预测。但是，她的辩护者并没有放弃。正如纳尔逊在解析中所说 关于这个话题，“一个理论怎么能如此正确同时又如此错误呢？”导波理论
量子力学的这一版本回到了该领域的最开始。如果爱因斯坦在1905年放置了第一块量子拼图，当他解释了如何离散地吸收和发射光时，第二个碎片是在1924年由路易斯·德布罗意（Louis de Broglie）放置的。德布罗意（De Broglie）指出，尽管光波的行为像粒子，但电子的粒子却像波。次年，德布罗意（de Broglie）概述了他的先导波理论，其中在实际物理对象中观察到的物质波是由粒子的运动产生的。在某种程度上，这是量子力学的最初解释，但很快就被哥本哈根解释所击败。戴博格（David Bohm）在1950年代重新发现了德布罗意的想法，进一步发展。在此公式中，波函数也受Schrödinger方程控制，但是波导理论增加了一个从该方程导出的方程，该方程直接影响粒子的运动。粒子被认为具有独立于测量而存在的真实轨迹。典型的量子效应，例如在实验中有两个狭缝的干涉，是由复杂的轨迹引起的，在实验过程中电子或光子沿着该轨迹运动。这种解释在维持真实性的同时，再现了量子世界大部分行为。它使概率返回到我们通常的位置，也就是说，概率再次成为我们不完整知识的指标，而不是自然的组成部分。路易斯·德布罗意（Louis de Broglie）波浪飞行员理论的一个严重障碍是，它产生的粒子轨迹是复杂的，而且常常是离奇的。另一个障碍是它需要极端的非局部性，这在原则上将粒子的运动描述为取决于宇宙中所有其他粒子的状态。但是，许多物理学家认为该理论是哥本哈根解释的最有希望的替代方法，并且正在积极研究中。导波理论的一个有趣特征是可以在宏观尺度上观察微观水平的某些预测行为特征的类似物。实验影片 令人排斥的油滴表现出惊人的行为，其中油滴起亚原子粒子的作用，悬浮在其上的油浴起先导波的某些功能。多个世界
流行力学
对量子力学
的“多世界”解释引起了很大的反响。 因此，许多人，包括一些物理学家，对该理论有错误的看法。
这种解释
并不像通常认为的
那样坚持为每个维度创建一个新的宇宙。 她只是认真地将传统的量子力学视为对我们的宇宙及其所有事物的描述。 量子力学将粒子（例如电子）描述为以所有可能状态的叠加形式存在。 测量时，将叠加状态替换为测量状态。 多世界的观点将叠加的概念扩展到控制一切，包括测量设备及其操作员。 她捍卫一种观点，即为了确保完整性，整个世界必须重叠存在。
“许多世界”的概念是指适用于整个世界的国家的叠加。 在量子力学的意义上，每个势态或宇宙都已经存在，其中亚原子粒子的每个可能状态都具有势态存在。 测量粒子的状态会选择一种可能的结果并使之成为现实。 同时，测量为宇宙选择了一种可能的结果：实验者通过这一特定测量获得的结果。
多个世界被认为是确定性的，消除了对波动函数收缩的需要。 她的批评者声称，她仍然无法摆脱概率的中心作用，也无法控制引力。
还有许多其他替代方法，我们根本没有足够的空间来描述。 通常，他们比形而上学更接近于形而上学。 超决定论是位于科学和哲学之间的这些观念
之一 。 尽管这个想法尚未能够重现量子力学的结果，但它一直引起人们的持续关注，这可能是由于其主要辩护律师，诺贝尔物理学奖获得者Gerard't Hooft的声誉。 超确定论被认为是贝尔定理中的一个漏洞，实际上贝尔对此进行了描述。 该理论通过考虑宇宙中的一切（包括实验者从时间开始定义的测量方法的选择）避免了贝尔定理的基本假设。 当然，他否认有任何自由意志的可能性。 该领域理论的一个有趣发展是Hooft
试图通过在细胞自动机中创建量子力学模型
来实现他的思想。
形而上学形而上学焦虑
爱因斯坦对这个词有很好的理解力，对自然的理解也很深。 他给我们留下了两个五颜六色的短语，我们继续引用它们来表达我们对量子力学的相关方面的不满：“可怕的远程作用”和“上帝
没有与世界
玩骰子 ”。
尽管哥本哈根的解释仍然占主导地位，并且冷静地接受了这两个短语，但它们所产生的令人难以置信的不满将继续激励新一代的物理学家寻求替代方案。 这种替代方法可能是对此处描述的模型之一的进一步开发，我们无法考虑的那些项目之一或全新的想法。 但是没有人可以肯定地说，其中之一将来是否会赢得普遍认可。
关于作者：
Lee Phillips 是Ars Technica的物理学家和定期撰稿人。 他先前曾撰写过有关诸如 Fortran编程语言 的 遗产 以及 艾米·诺瑟 （ Emmy Noether） 不断变化的物理学等 主题的文章 。