量子理论是关于现实还是我们所知道的?

P物理学家知道如何使用量子理论——你的手机和电脑提供了大量证据。但是知道如何使用它与完全理解这个理论所描述的世界，甚至是科学家在这个理论中使用的各种数学设备的意义相去甚远。物理学家长期争论的一个这样的数学对象，被称为量子态．

量子理论最显著的特征之一是，它的预测在几乎所有情况下都是概率的。如果你建立一个实验在实验室,然后用量子理论来预测各种测量的结果你可能会执行,最好的理论可以提供probabilities-say, 50%的机会,你会得到一个结果,和50%的机会,你会得到一个不同的一个。量子态在理论中扮演的角色是确定，或至少编码这些概率。如果你知道量子态，那么你就可以计算得到任何实验结果的概率。

但是量子态最终是否代表了现实的某些客观方面，还是一种描述关于我们，也就是说，关于某个人的某件事知道现实呢?这个问题可以追溯到量子理论的早期历史，但是已经有了最近成为这又是一个活跃的话题，激发了一系列新的理论结果，甚至一些实验测试。

如果只是你的知识发生了变化，事情就不会显得那么奇怪了。

为了了解为什么量子态可能代表某人所知道的东西，考虑另一种我们使用概率的情况。在你的朋友掷骰子之前，你猜哪一边是朝上的。如果你的朋友掷了一个标准的六面骰子，你通常会说无论你怎么猜，你都有17%(或1 / 6)的几率是正确的。在这里，概率代表了关于你的一些东西:你对骰子的认知状态。假设她转动时你背对着她，这样她就能看到结果——比如说6——但不是你。在你看来，结果仍然不确定，即使她知道。代表一个人的不确定性的概率，即使有一些事实，被称为认知这个词来自希腊语中表示知识的一个词。

这意味着你和你的朋友可以分配非常不同的概率，而不会有任何一方是错的。你说骰子显示6的概率是17%，而你的朋友，他已经看到了结果，说它是100%。这是因为你们每个人都知道不同的东西，概率代表了你们各自的知识状态。唯一的不正确的实际上，分配是指骰子不可能显示6。

在过去15年左右的时间里，物理学家们提出了一个问题:量子态是否也可以以类似的方式被认知。假设存在一些关于世界结构的事实——比如空间中粒子的排列，甚至是骰子游戏的实际结果——但你不知道它是什么。根据这些方法，量子态只是描述你对世界结构的不完全认识的一种方式。在某些物理情况下，可能有不止一种正确的方法来分配量子态，这取决于你所掌握的信息。

用这种方式来思考量子态是很有吸引力的因为当你测量一个物理系统时量子态是如何变化的。测量一个系统通常会改变它的状态，从每个可能结果都有一些非零概率的状态变为只有一个结果发生的状态。这很像，在骰子游戏中，你知道骰子实际上显示了一个6。这似乎很奇怪，认为世界会因为你测量了一些东西而改变。但如果只是你的知识发生了变化，事情就不会显得那么奇怪了。

另一个认为量子态是认知态的理由是，在大多数情况下，单凭一个实验是无法告诉我们，实验之前的量子态到底是什么。这也类似于骰子游戏中的概率。假设另一个朋友来玩游戏，坚持说骰子显示6的概率只有10%，而你仍然说它是17%。单凭一个实验就能证明谁是对的吗?不。原因是实际结果——比如说6个——是一致的这两个你的概率分配(尽管在多次滚动中获得频率的意义上可能更准确)。没有办法判断你或你的朋友在任何特定情况下是否正确。根据量子理论的认识论方法，你不能从实验上区分大多数量子态的原因就像骰子游戏:有一些可能的实际物理情况与多个量子态兼容。

安大略省滑铁卢周界理论物理研究所的物理学家Rob Spekkens在2007年发表了一篇影响深远的论文纸他提出了一种“玩具理论”，旨在模仿量子理论。玩具理论与量子理论不同，因为它仅限于极其简单的系统——即任何性质最多有两个可能值的系统，比如颜色为“红”或“蓝”，方向为“上”或“下”。但和量子理论一样，它也包括了可以用来计算概率的状态。它做出了许多与量子理论相同的预测，至少对这些简单的系统是这样的。

斯毕肯斯的玩具理论令人兴奋，因为就像量子理论一样，它的状态通常是“不可区分的”——而不可区分也是完全这可以用它们与相同的潜在物理环境的相互兼容性来解释。换句话说，玩具理论非常像量子理论，它的状态是明确的认识论。由于量子态的不可分辨性,对于那些倾向于一种认知方法,没有说明的问题是他们是否能接受想出一个all-Spekkens和其他人把这作为有力的证据,量子态可能是认知,也只要玩具理论扩展到更复杂的系统。这激发了一系列研究，一些物理学家试图将他的研究扩展到所有量子现象，而另一些人则试图证明这是错误的。

这些假设没有争议，但这并不意味着它们是正确的。

到目前为止，反对者似乎占了上风。例如，2012年一项被广泛讨论的结果纸在自然物理由理论物理学家马修·普西、乔纳森·巴雷特和特里·鲁道夫提出，如果物理实验总是能够相互独立地建立起来，那么描述这些实验的“正确”量子态就不可能存在任何模糊性。其他量子态是错误的，就像认为骰子掷出6的概率是0一样。

另一个纸发表在物理评论快报乔纳森•巴雷特在2014年由埃里克·卡瓦尔康蒂雷蒙德•拉尔和欧文事表明,没有方法来扩展Spekkens”玩具理论系统的属性可以在三个或更多的价值观(“红”“蓝”和“绿色”的颜色,而不仅仅是“红色”和“蓝色”——没有违反量子理论的预测。作者甚至提出了一些实验，可以区分量子理论的预测和任何认知方法都必须做出的预测之间的区别，到目前为止实验这些都符合标准量子理论。换句话说，你似乎不能把量子态解释为认识论，因为任何一个状态是认识论的理论都使预测不同于量子理论。

那么，这些结果是否排除了量子态是我们大脑特征的观点呢?嗯，是也不是。与认识论方法相反的论证是在思考物理理论的特定框架中证明的数学定理。这个框架首先由Spekkens和合作者开发，作为解释认知方法的一种方法，它包括几个基本假设。一是世界总是在一些本体的态，一种独立于我们碰巧知道的东西的确定的物理状态，它可能与量子态重合，也可能与量子态不重合;另一种说法是，物理理论做出的预测可以用标准概率论的方法来表示。这些假设没有争议，但这并不意味着它们是正确的。什么自然物理和物理评论快报结果表明，在这个框架中不可能有与Spekkens的玩具模型相同的认识论方式的理论，而与量子理论相一致。

W这是否是最后的结论取决于你对框架的看法。在这个问题上，观点各不相同。

例如，牛津大学(Oxford University)物理学家和哲学家欧文·马罗尼(Owen Maroney)是2014年《科学》报告的作者之一物理评论快报他在一封电子邮件中说，“最可信的心灵认知模型”——可以被斯比克肯斯的框架容纳的认知模型——“正在被排除。”同样，查普曼大学(Chapman University)的物理学家马特·莱弗(Matt Leifer)写了大量关于量子态的认知方法的文章，他说，即使是2012年自然物理只要你愿意接受他们的独立假设(Leifer说，他“经常倾向于这样做”)，结果就结束了。

斯毕肯斯本人则更为谨慎。他同意这些结果对量子态的认知方法施加了重要的限制。但他强调，这些结果都是在他的框架内证明的——作为该框架的创始人，他很快指出，该框架有局限性，比如对概率的假设。因此，他认为，对量子态的认知方法仍然有很好的动机，但如果它们要成功，我们需要重新审视大多数物理学家都愿意毫无疑问地接受的物理理论的基本假设。

然而，似乎很清楚的是，在量子理论的基础问题上已经取得了真正的进展。许多物理学家倾向于将量子态的意义问题斥为仅仅是解释或更糟的“哲学”问题，因为它们与大多数量子物理学家担心的问题无关，比如设计新的粒子加速器或建造更好的激光器。说一个问题是“哲学的”，会让它看起来好像不在数学和实验物理学的范围之内。

但对认知方法的研究表明，这是多么错误。斯毕肯斯和他的合作者设法对量子态进行了解释，并将其转化为一个精确的假设——一个随后被数学和实验结果推翻的假设。这并不意味着认识论方法已死，但它确实迫使它们的倡导者提出一个新的假设。这是毫无疑问的进步——既是科学的进步和哲学。

詹姆斯·欧文因此是加州大学欧文分校的逻辑和科学哲学教授。他最近的一本书是虚空:无的奇异物理(耶鲁大学出版社，2016)，探索了从17世纪到今天的物理学中空白空间的结构。

注意:劳伦斯·克劳斯说物理学确实需要哲学——只是不需要哲学家．

这篇经典的事实如此浪漫的文章最初发表于2017年4月。