量子力学的哥本哈根解释（四）
9. 测量问题
一些物理学家和科学哲学家认为，测量问题对于哥本哈根解释来说是一个真正的难题。一方面，波函数根据薛定谔方程确定性地演化为不同状态的线性叠加；另一方面，实际测量总是检测到一个确定的状态。是叠加还是不叠加，这就是问题所在。
显然，我们生活在一个量子世界中，因为一切都是由原子和亚原子粒子构成的。因此，经典物理学似乎仅仅是对所有尺度上都是量子力学的世界的一个有用的近似。这种观点得到了许多现代物理学家的支持，可以称为量子原教旨主义（Zinkernagel 2015, 2016）。它可以被定义为包含两个组成部分的立场：（1）宇宙中的一切从根本上来说都是量子性质的（本体论组成部分）；（2）宇宙中的一切最终都可以用量子力学术语来描述（认识论组成部分）。因此，我们可以将量子原教旨主义定义为这样的立场：世界上的一切本质上都是量化的，量子理论为我们提供了这种性质的文字描述。量子原教旨主义背后的基本假设是，形式主义的结构（在本例中为波函数）对应于世界的结构。例如，根据波函数描述，每个量子系统都可能处于不同状态的叠加中，因为状态向量的组合也是状态向量。现在，假设量子物体和测量仪器都是量子系统，每个系统都可以用波函数来描述，那么它们的纠缠态同样可以用状态向量来表示。那么挑战当然是如何解释为什么测量仪器的指针会进入一个确定的位置（而不是叠加的位置），正如经验告诉我们的那样，只要仪器与物体相互作用。简而言之，这就是测量问题。
哥本哈根解释通常是为了订阅关于在约翰·冯·诺曼的投影假设方面提供的测量问题的解决方案。 1932年[1996]，Von Neumann建议，每当进行测量时，物体的缠结状态和仪器的缠结状态和仪器坍塌到确定状态。 该测量过程（如同称之为单型的过程）无法由量子力学描述; 量子力学只能描述2型过程（即，在Schrödinger方程方面的Quantum系统的开发）。 在他对测量问题的讨论中，Von Neumann然后区分（i）实际观察到的系统; （ii）测量仪; （iii）实际观察者。 他认为，在测量期间，实际观察者对具有非物理性质的发生的主观看法，这将其与观察到的物体和测量仪器区分开来。 然而，他持有心理上的平行，作为一种科学原则，他解释了与主观经验的任何额外物理过程存在的物理相关。 因此，在每种情况下，我们都有主观看法，我们必须将世界划分为观察到的系统和观察者。 但是该司发生的地方是部分任意的。 根据von neumann，它是上文中的分界线是否在观察到的对象（i）和测量仪器与观察者（ii）+（iii）一起在观察者（ii）+（iii）之间绘制，或者在观察到的对象的描述与测量仪器之间绘制，即（i）+（ii）和观察员（iii）。 换句话说，von neumann认为观察者永远不能包括在2个过程描述中，但是测量仪器可以有时是类型2-过程的一部分，尽管它给出了相对于观察到的对象（i）相同的结果。 Von Neumann对测量问题的一个重要结果是，仅在观察者的意识存在时发生1型。 此外，即使von neumann认为（i）和（ii）的描述组合的情况，他也会谈论物理系统（i）+（ii）与抽象自我（iii）之间的互动（Neumann 1932 [1996]，CH VI）。 因此，心灵似乎在形成1型过程中发挥积极作用，这将与心理 - 物理并行性不相容。
实际上，在思想的哲学中，人们不能一致地保持心理上的平行和大脑和心灵之间的相互作用。 所以难怪尤金瓦涅（1967）通过提出导致波浪函数的崩溃是观察者的思想，跟进了思想的互动的建议。 但是，Wigner从未解释过心理以如何产生物质效果，如量子系统的崩溃。 衡量问题导致了Schrödinger的猫的着名悖论，后来到了Wigner的朋友之一。 虽然Von Neumann和Wigner的职位通常与哥本哈根解释相关的职位，但这种观点绝对不是Bohr，因为我们将在一瞬间看到。
量子原教旨主义者确实可以准备解释为什么宏观世界似乎是古典的。 von Neumann投影假设的替代方案是声称应该从字面上读取形式主义，并且测量（古典结果）没有描述世界。 但有本体成本，这对一些有意义。 在一个解释中，世界划分为许多世界，因为每次观察或与另一个系统都相互作用时可能的测量结果。 其他原教旨主义者希望后备计划可能会提出适当的解释。 移植理论不仅存在于物体和测量之间存在的缠结，而且还存在包括环境的东西。 如果Bohr认识到破坏的想法，他可能对它没有异议，因为若干作者指出了他认为测量是一种不可逆转的放大过程（Schlosshauer和Camilleri）的自然动态延伸2015,2017;Bächtold2017，Tanona 2017;和Dieks 2017）。 但是，普遍认为，破碎机不解决测量问题（BacciaGaluppi 2016; Zinkernagel 2011）。 这似乎似乎必须重新推出von neumann的投影假设，以解释为什么出现一个和只有一个测量结果的动态因素。 然而，随着Dieks（2017）所说，BoHR的解释可以被理解为非崩溃解释，因为“叠加与通过经典的实验的解释无关，因此没有替代其他数学需要国家。 我们必须正确地解释公式。“ 尽管没有一般同意Bohr对比量子原教旨主义的程度。
时间和再次Bohr强调，仪器与对象之间的认识论区别是必要的，因为这是一种在功能上可以在功能上进行测量的唯一方式。 测量仪器的认知目的是产生有关与仪器本身分离的物体的信息。 通常还商定，BoHR没有将测量仪器的经典世界视为沿着微观和宏观分区的线路与量子物体分离。 绘制线的地方是便利性的问题。 因此，BOHR有时将测量仪器的部分包含在应施加量子力学描述的系统中。 在一个地方，Bohr提供了以下情况的以下特征：
在应用量子机械形式主义的系统中，当然可以包括测量过程中使用的任何中间辅助机构。 然而，由于必须在古典线上描述根据测量的目的的这种机构的所有这些性质必须与物体的相应性质进行比较，因此它们的量子机械处理将以本意目的基本上等同于经典描述。 最终包括在调查的系统内包括这些机构的问题纯粹是一种实际方便的问题，就像经典的物理测量一样; 因此，物体和测量仪器之间的部分的这种位移可以在现象和量子机械处理的描述中永远涉及任何任意。 （BoHR，CC，第104页）
这是一个重要的段落，因为它表明BoHR认为量子力学在其可以用于描述宏观物体的意义上具有普遍的适用性。 它还告诉我们，宏观测量装置的部分是作为量子物体的一部分被处理的，而是取决于语用或上下文条件，但它们的量子力学处理应该导致对应于类似的经典描述的描述。 基于像上面的报价，Don Howard（1994）得出结论，Bohr不仅是一个本体量子原教旨主义，而且还有一种认识论。 他认为，人们可以使BoHR要求测量装置和实验结果必须以普通语言描述，该常规语言补充在古典物理学术语中与本体类别的原教旨主义一致。 根据他，Bohr从未将测量仪视为古典物体。 此外，他认为这意味着Bohr必须了解使用古典概念的使用方式与通常思考的学者。 他在称为“混合物”的量子状态方面重新解释了Bohr。 霍华德认为，关于仪器与物体相互作用的实验背景，Bohr不理解它们处于纠缠状态，但在混合状态下分离。 结果是仪器和物体存在于明确量子状态，因为这种状态可以被表示为仪器和物体的波函数的乘积。
但是，作为Maximilian Schlosshauer和Kristian Camilleri（2008年（其他互联网资源），2011年）已经指出，这不解决测量问题。 霍华德不解释在这种情况下，可以从量子系统 - 倒数测量装置从不可分级状态移动到分离状态的混合。 因此，不能确保测量装置处于明确的位置状态及其指针。 一些哲学家似乎争辩说Bohr是一个有道理的，但不是认识论量子原教旨主义者。 例如，“BoHR据信，以纯粹的宣传学举动地看到该装置的经典描述，这表明了给定的量子系统被用作测量装置”（Landsman 2007）; 在类似的静脉中：“一个人留下了Bohr着作的印象，即量子古典鸿沟是Quantum Mechence的认识论结构的必要部分”（Schlosshauer和Camilleri 2008（其他互联网资源），2015年）。 因此，Klaas Landsman（2006年，2007年）接受了霍华德的建议，即Bohr是一个有道理的Quantum原教旨主义，但他拒绝了Bohr应该被视为一个认识论量子原教旨主义者。 Landsman认为，BoHR认为测量仪器应以古典术语描述，因为古典物理学中的任何测量结果总是具有明确的价值。 然而，Landsman同意Bohr理解所有物体，都是基本上的量子机械物体。
然而，有人可能会说，霍华德和兰兹曼忽视了玻尔在本体论问题上观点的认识论性质。显然，玻尔可能会说，量子力学被正确地理解为一种测量理论，一种关于量子世界在我们眼中如何呈现的理论，而不是这个世界本身如何呈现的理论。玻尔不止一次提到，物理学不是要寻找自然的本质，而是要以明确的方式描述现象。玻尔思想的前沿是：(1) 需要经典概念来描述测量结果；(2) 由于系统和测量仪器的纠缠而产生的不可分离性；(3) 互补属性测量的上下文性质；(4) 量子形式主义的符号特征。如果想要理解玻尔对经典量子问题的解决方案，就必须考虑所有四个组成部分。
根据玻尔作为经验现实主义者和先验理想主义者的这种理解，我们在量子力学中面临着“不可能将原子物体的行为与测量仪器的相互作用截然分开，而测量仪器的作用是定义现象出现的条件”（APHK，第 210 页）。这绝对是量子力学独有的非经典特征。在对 EPR 论文的回应中，玻尔强烈反对将这种形式的相互作用视为机械影响。这种影响是针对描述条件的，即在实验条件下应用经典概念是有意义的。但在测量过程中，出于务实的原因，我们需要将系统与测量仪器和环境分开。务实的原因似乎相当清楚。无论什么实验的结果总是会产生一个确定的值，因此量子形式描述的物体和测量仪器的纠缠在认识论上只持续到物体和仪器之间的相互作用停止。量子形式主义可以预测这些相互作用的统计结果，但无法说明物体的轨迹。
玻尔坚持使用经典概念来描述测量，这可以看作是他对测量问题的回应。这个问题源于量子力学本身无法解释为什么对处于叠加状态的物体进行的实验总是会产生确定的结果。因此，如果不主张波函数自发坍缩、隐藏变量或多重世界，就需要用时钟和杆等测量仪器的经典描述来补充量子力学。Henrik Zinkernagel (2015, 2016) 似乎接近玻尔的观点，他认为玻尔并没有解决测量问题，而是化解了它。根据他的解释，玻尔相信量子世界，但只是相对于特定的经典描述和某个经典世界。经典和量子（本体和认识论）之间的区别是语境上的。他认为测量问题最终是本体论量子原教旨主义（一切都是量子的）的结果。因为如果一切都是量子的——并且用量子形式主义正确地描述（称一切都是量子的还有什么意义？）——那么无论我们是否将仪器描述为经典的，测量最终都会处于叠加状态。人们可以和 Zinkernagel 一起说，玻尔认为所有物体都可以被视为量子物体，但它们不能同时被视为量子物体。借用两位俄罗斯物理学家 Landau 和 Lifshitz 的概念，Zinkernagel 声称只有测量装置的某些部分与所讨论的物体纠缠，但没有纠缠的部分作为经典物体存在。根据上下文，在物体充当测量装置的情况下，它们不能被视为量子物体。在这些情况下，测量装置的经典处理为我们提供了一个空间和时间的参考框架，原子物体相对于该框架具有位置，并且，在适当的情况下，它相对于该框架具有能量和动量。这样的参考系对于我们定义和测量特定属性的能力是必不可少的。用玻尔自己的话来说：“在每种情况下（测量），一些终极测量仪器，如确定时空协调框架的秤和时钟，最终，动量和能量量的定义也基于此，必须始终完全用经典线来描述，因此必须将其置于受量子力学处理的系统之外”（CC，第 104 页）。参考系的特征在于，它为明确定义的位置或明确定义的动量建立了条件，而经典测量仪器则完全充当参考系。这意味着玻尔并没有排除将量子理论应用于任何系统。原则上每个系统都可以用量子力学来处理，但由于我们总是需要一个参考系来描述实验结果，所以并非所有系统都可以同时用量子力学来处理。
在这场辩论中，Dorato (2017) 强调了这样一个事实：通过明确提及爱因斯坦的狭义相对论，玻尔将量子力学视为一种原理理论。这既解释了玻尔对经典物理学领域的认识论依赖，也解释了他禁止任何试图从量子对象构建经典对象的行为。尽管如此，Dorato 认为，为了证明他的实体现实主义和反工具主义解释的合理性，玻尔还需要假设某种在本体论上不同于量子力学领域的东西，这一主张产生了一个众所周知的问题，即以非模糊和精确的方式定义经典领域和量子领域之间的界限。通过追随 Zinkernagel 的观点，他声称这个问题在一定程度上被玻尔的语境主义测量理论所软化。然而，玻尔的整体论认为测量装置和量子对象处于纠缠状态，这与玻尔的本体论区分论题存在客观上的冲突，尤其是由于玻尔将量子系统和经典系统之间的相互作用视为不可逆的物理过程，似乎需要一种他想避免的建设性量子力学方法。
尽管如此，问题是玻尔在多大程度上真正相信经典世界不仅在认识论上而且在本体论上与量子世界不同？如果他没有做出本体论区分，那么他的认识论观点就不会有矛盾，即测量结果需要用经典方式描述，但从本体论上讲，测量装置和被研究对象一样都是量子对象。因此，当玻尔将量子力学视为经典物理学的合理概括时，他总是认为这是一种确保量子力学认识论有效性的方法，而不是一种拯救经典本体论的方法。直接针对 Zinkernagel 的分析，Dieks (2017) 强烈主张，毫无疑问，玻尔认为量子力学是普遍的，因为海森堡的不确定性关系由于作用量子而适用于微观和宏观系统。经典力学是一种数学近似。此外，出于认识论的原因，玻尔认为我们必须使用经典语言，因为这种语言是我们日常语言的改进，它适合描述我们的感官体验，因此是唯一能够赋予量子形式主义经验内容的语言。因此，根据 Dieks 的说法，玻尔认为，描述“某些系统经典地描述只是为了有一个实用的起点来处理其他系统”只是认识论的必要性。玻尔出于认识论的原因要求使用经典概念，这与他认为宏观物体是量子物体的观点无关。测量设备不是经典物体，尽管我们需要经典概念来描述我们的一般物理体验和量子实验的结果。因此，Dieks 得出结论，在经典教科书示例中，测量装置与量子对象之间的相互作用决定了位置或动量话题是否可以转移到被测量的量子对象上。测量装置本身，如果是宏观的，并且在一般情况下（因此它确实是一个我们可以使用的测量装置），则允许在其自身描述中同时进行位置和动量话题。测量相互作用决定了与微观世界建立哪些关联。
10. 互补性、退相干和概率
每个人都同意，退相干并不能为物理学家提供解释，为什么在给定波函数所代表的所有统计可能值的情况下，测量会选择一个特定值而不是另一个值。但问题仍然是，玻尔认为任何测量过程都依赖于量子系统和测量仪器之间的动态相互作用，尽管如果测量仪器提供的值必须是量子系统的记录，就必须在它们之间进行描述性分离。玻尔最接近这种动态相互作用的时候是他坚持认为测量过程会在仪器上留下不可逆的痕迹。尽管有这样的言论，玻尔从未用现代术语“纠缠”或“退相干”来讨论他的解释。
虽然薛定谔创造了“纠缠”一词，但霍华德 (2021) 认为，这个词指的是量子力学不可避免的特征，大多数物理学家从一开始就认识到了这一点。爱因斯坦在光电效应中光量子概念的提出中就已经意识到了这一点。玻尔对纠缠的表述是物体与测量仪器之间无法控制的相互作用。例如，当玻尔 1927 年在科莫提出他对互补性的看法时，他写道：
量子假设意味着对原子现象的任何观察都将涉及与观察机构的相互作用，而这种相互作用不容忽视。因此，普通物理意义上的独立现实既不能归因于现象，也不能归因于观察机构。 （ATDN，第 54 页）
正如 Howard (2021) 指出的那样，我们知道，玻尔在这里谈到的相互作用，并不是海森堡在展示他的电子显微镜时所想到的相互作用，在电子显微镜中，用来检测电子的光会干扰电子。这种解释正是玻尔在与海森堡的讨论中反对的建议，在海森堡发表关于不确定性关系的经典论文之前。
然而，玻尔的表述经常被误解为支持经典形式的扰动，而“不可控相互作用”这一表达可能误导了爱因斯坦和其他物理学家，使他们相信量子力学是不完整的，因为如果将这种相互作用视为扰动，可能会被认为会改变预先存在的值。玻尔第一次公开与这种对物体与仪器之间相互作用的扰动解释保持距离是在他对 EPR 论文的回复中。在这种情况下，所考虑的纠缠不再是物体与测量仪器之间的纠缠，而是两个子系统 A 和 B 之间的纠缠。尽管如此，通过一个实验，物体首先通过一个固定或可移动的单缝光阑，然后通过另一个双缝光阑，玻尔用他的例子展示了子系统 A 上的特定测量结果如何影响对 B 的测量结果。（如果第一个光阑是固定的，以便测量物体的位置，人们会在第二个光阑后面的屏幕上观察到干涉图案，但如果第一个光阑是可移动的，以便确定物体通过了两个缝中的哪一个，干涉图案就会消失）。
