哥本哈根解釋:物理學的術語-中文百科頻道

概論

由于哥本哈根诠釋是由幾位物理學家的觀點所構成的，哥本哈根诠釋并不是一句話就可以論定的。著名的以色列物理學家AsherPeres在一篇論文中，特别提到，有兩位物理學家，對于哥本哈根诠釋，給予了有如天壤之别的定義。

哥本哈根诠釋包含了幾個重要的觀點。

一個量子系統的量子态可以用波函數來完全地表述。波函數代表一個觀察者對于量子系統所知道的全部信息。

按照玻恩定則，量子系統的描述是概率性的。一個事件的概率是波函數的絕對值平方。（馬克斯·玻恩）

不确定性原理闡明，在量子系統裡，一個粒子的位置和動量無法同時被确定。（海森堡）

物質具有波粒二象性；根據互補原理，一個實驗可以展示出物質的粒子行為，或波動行為；但不能同時展示出兩種行為。（尼爾斯·玻爾)

測量儀器是經典儀器，隻能測量經典性質，像位置，動量等等。

對應原理：大尺度宏觀系統的量子物理行為應該近似于經典行為。（尼爾斯·玻爾與海森堡)

波函數的意義

哥本哈根诠釋不認為波函數除了抽象的概念以外有任何真實的存在。至少，對于波函數是否是一個獨立，可區别的實體的整體或一部分，哥本哈根诠釋都不做任何表态。

有些物理學家主張，哥本哈根诠釋的客觀版本允許真實的波函數。但是，這觀點是否與實證主義相符合，是否與玻爾的論點相符合，還是個問号。尼爾斯·玻爾強調，科學隻注重實驗結果的預測，任何其它額外的命題都是不科學的，屬于玄學範圍。玻爾深深地受到實證主義影響。換個方面，玻爾和海森堡兩個人的見解也不完全相同。有些時候，他們的觀點有相當大的分歧。特别地，海森堡非常傾向實在論。

即使波函數不被視為真實的，也仍舊可以找到至少兩派意見不同的物理學家，主觀派認為波函數隻是一個計算實驗概率的數學工具，沒有别的意義。不可知派則認為波函數是不可知的，對于波函數不表示任何态度。

CarlFriedrichvonWeizsäcker是不可知派一位著名的物理學家。在參與一個劍橋大學的學術報告會時，他否認哥本哈根诠釋主張不能被觀察到的事物絕對不存在。他提出哥本哈根诠釋所信奉的原理是：能被觀察到的事物當然存在，而不能被觀察到的，仍舊可以自由地做适當的假設，利用這自由來避開佯謬。

波函數坍縮

每一種版本的哥本哈根诠釋，都會包括一個正式版本的波函數坍縮在内。借着這坍縮，未測量到的本征值會被删除。坍縮後的波函數是對應于測量到的本征值的本征态。（換句話說，哥本哈根诠釋從來不曾否定坍縮這概念。甚至在量子力學早期，也沒有像多世界诠釋的擁護者一樣地否定坍縮。）波函數牽涉到一個事件會走向各種可能的結果的概率。可是當其中一種結果變為事實，其它的結果就不可能存在于真實世界。

設定一個電子，通過一個雙縫實驗儀器，那麼，這電子抵達于偵測屏障的地點，這位置是概率性的，跟電子的量子态有關。可是，一旦電子抵達了偵測屏障的某一點，電子不可能再跑到别的點，抵達别的點的概率是零。多世界诠釋認為電子會抵達任何它可能抵達的地點。每一種可能都發生于一個分離的宇宙。

見解

綜述

通過思考一些實驗與佯謬，可以進一步地了解哥本哈根诠釋的内涵：

薛定谔貓

将一隻貓放入一個配備了放射性物質，輻射偵測器（蓋革計數器）和毒氣桶（氰化氫）的盒子。假設，在一段時間T内，放射性物質有50%的概率發射出一個粒子，也有50%的概率保持不變。再假設放射性物質發射出的任何粒子，都可以被蓋革計數器偵測到。在這一段時間T内，假若蓋革計數器偵測到任何粒子，毒氣桶釋放毒氣的機制就會被啟動。釋放出毒氣來毒死盒子裡的貓；否則，假若放射性物質保持不變，那麼，貓仍舊會是活的。薛定谔設計出這個荒謬的實驗。在時間t=T，整個系統的波函數會是各占一半概率的活貓與死貓，這兩種狀态混雜在一起：。而當觀察者一掀開盒蓋，想要觀察到底貓是活的還是死的，這時候，波函數立刻會坍縮成活貓波函數或死貓波函數。假若貓是死的，則可以說貓是被觀察者的觀察這動作殺死的。

哥本哈根诠釋：要區分清楚微觀系統和宏觀系統。在這個佯謬裡，放射性物質放射出的粒子的行為是一個微觀系統；而貓的生死則是一個宏觀系統。針對微觀系統的部分，可以用兩個量子态的線性組合，來描述放射性物質是否發射出一個粒子，這是一個微觀系統的量子行為。

雙縫實驗

在雙縫實驗裡，照射單色光在一座有兩條狹縫的不透明擋牆。在擋牆的後面設立了一個偵測屏障。在偵測屏障上可以觀察到幹涉圖樣。現在，在這實驗裡，裝上一台狹縫偵測器，能夠偵測到光子的行蹤，光子會經過兩個狹縫中的哪一條狹縫？可是，當将狹縫偵測器打開後，熟悉的幹涉圖樣，就會消失不見，改變成另外一種圖樣。偵測這個動作，涉及了光子與狹縫偵測器之間的相互作用。這改變了光子的量子态。請問這該作怎麼解釋？

哥本哈根诠釋：不應該推斷在數學公式與實驗結果以外的任何涉及量子尺寸的理論。除了光子發射的時間與抵達偵測屏障的時間以外，在任何其它時間，不能夠确定光子的位置。為了要确定光子在某個其它時間的位置，必須偵測到它。可是，一旦偵測到光子在某個其它時間的位置，也改變了光子的量子态，幹涉圖樣也因此受到影響。所以，在發射的時間與抵達偵測屏障的時間之間，不能測試光子的位置。隻有在發射的時候與抵達偵測屏障的時候，光子是存在的。在其它時間，光子完全地跟宇宙失去了連絡。在雙縫實驗裡，到底發生了什麼狀況，無從得知。

一個光子，從被太陽發射出來的時間，到抵達觀察者的視網膜，引起視網膜的反應的時間，在這兩個時間之間，觀察者完全不知道，發生了什麼關于光子的事。或許這論點并不會很令人驚訝。可是，雙縫實驗發現了一個很值得注意的結果，假若，試着确定光子在發射點與偵測屏障之間的位置，則也會改變雙縫實驗的結果。假若，用狹縫偵測器，來偵測光子會經過兩個狹縫中的那一個狹縫，則原本的幹涉圖樣會消失不見。

仔細的推理，從累積的日常宏觀經驗裡所發生的事件，可以得知，一個粒子必須通過兩條狹縫之中的一條狹縫。從做實驗獲得的結果，可以得知，必須有兩條狹縫才能産生幹涉圖樣。假設有一個狹縫偵測器，能夠在抵達偵測屏障之前，顯示出粒子的位置。這狹縫偵測器的使用，會使展示于偵測屏障的幹涉圖樣消失不見。令人費解地，假若，在光子抵達偵測屏障之前，又将這狹縫偵測器所測得的資料摧毀，那麼，幹涉圖樣又會重現于偵測屏障。

EPR佯謬

在一個衰變事件中，一個自旋為零的粒子衰變為兩個粒子。這兩個量子糾纏的粒子被發射出去。守恒定律确保，假設測量這兩個粒子的自旋，那麼，其中一個粒子的測量值，必是另外一個粒子的測量值的負值。因此，假設一位觀察者測量到其中一個粒子的自旋，瞬時，這觀察者也知道另外一個粒子的自旋。EPR佯謬最使人困惑的地方就是這瞬時效應。在星系的這一端發生的事件瞬時地透露出星系的那一端發生的事件。但是，根據狹義相對論，任何含信息的訊号或物理實體的移動速度，都不能超過光速。所以，看起來似乎哥本哈根诠釋與狹義相對論不符合。

哥本哈根诠釋：假設波函數不是實值的。當觀察者測量到其中一個粒子的自旋的瞬時，他就知道另外一個粒子的自旋。可是，假設他立刻将這訊息傳遞給另外一個粒子的觀察者，這訊息傳遞的速度，絕對不會高于光速。

有些物理學家主張波函數是實值的。在這裡就會會遇到極大的困惑。因為實值的波函數意味着訊息傳遞的速度高于光速。但多世界诠釋和交易诠釋的支持者堅持他們的理論是非局部性的。

一個強而有力的論點是，EPR效應違背了訊息傳遞速度不能超過光速這條件。但EPR效應并不能用來傳遞訊号。因為兩位觀察者都不能控制或預先确定他們會觀察到的現象，也不能操縱或影響對方的測量。絕對不會有違背因果律的事件發生。所以，可以避免這論點所造成的困難。

回應哥本哈根诠釋第一論點，量子力學到底是不是一個完備的理論？是否需要額外隐藏的變數來解釋？EPR佯謬的設計原本的目的之一，就是要凸顯這問題。這佯謬使得物理學家對于量子力學的完備性産生很大的疑問。1964年，約翰·貝爾（JohnBell）發表了非常重要的貝爾不等式（Bellinequality），證明了定域性隐變數不可能存在。然而,非定域性的隠變數诠釋仍未被推翻。

測量的定義

哥本哈根诠釋給予了測量步驟很特别的角色。可是，它并沒有清楚地定義這角色，也沒有解釋會産生的特别效應。海森堡在一篇文章《CriticismandCounterproposalstotheCopenhagenInterpretationofQuantumTheory》中強調，

當然，觀察者的介入，不應該被曲解地意味，那自然的描述将會蘊染到一些主觀特色。觀察者的職責隻在登記決定，也就是說，登記發生于空間和時間的事件。重點并不是觀察者是否是儀器或是人，而是事件的登記，在這裡，從可能到真實這變遷事件是絕對必要的，一定不能夠從量子理論的诠釋中被忽略。

偶然性的含義

與經典物理不同的是，在量子物理中所有涉及的測量值都不可以明确地預測。比如在經典物理的牛頓力學中，對一輛直線行駛中的汽車而言，從初始速度和加速度以及初始位置，可以計算出汽車在一定時間之後的位置及速度。然而在量子物理中，不可能求得在一定時間内量子粒子的明确位置與速度。取而代之，可以通過概率（偶然性）來預測它的位置與速度。這個看起來十分牽強的理論确實曾經遭受到不少的批判。愛因斯坦在這個理論剛被提出時曾說：“上帝不通過擲骰子來做決定。”

經典測量

史蒂文·溫伯格在《愛因斯坦的錯誤》這篇文章中，談到哥本哈根诠釋對于測量的處理：

量子經典诠釋的玻爾版本有很大的瑕疵。但是，原因并不是如同愛因斯坦所想像的。哥本哈根诠釋試着描述，當觀察者測量時，所發生的狀況。哥本哈根诠釋經典地處理觀察者與測量這動作。這種處理方法肯定的不對：觀察者與他們的儀器也得遵守同樣的量子力學規則，就好像宇宙的每一個量子系統都必須遵守量子力學規則。這些規則表達于可以完美确定地演化的波函數（或，更精确地，态矢量）。問題是，哥本哈根诠釋的概率規則到底是從哪裡來的？

最近幾年，關于這問題的解答，物理學家有相當大的進展。在這裡，不能詳細說明。稍微提示一點應該就足夠了。玻爾和愛因斯坦都沒有聚焦于真正的問題。哥本哈根诠釋明顯地可以解釋量子系統的量子行為。但是，哥本哈根诠釋并沒有達成解釋的任務，那就是，應用波函數演化的确定性方程（薛定谔方程）于觀察者和他們的儀器。量子力學的概率性并不是難處，必須試着與之共存。真正的難處是量子力學的确定性，更精确地說，量子力學将概率的诠釋與确定的動力學結合在一起。

在量子宇宙論領域裡，關于量子系統的測量問題，假若采取經典方法來處理，會遇到更嚴峻的困難。因為，在這裡，量子系統就是宇宙。