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为什么我们搞不懂量子物理、量子力学、量子通讯?
2016-08-24 主编微讲堂 李志民

  如果要评选20世纪最为深刻地影响了人类社会的科学发现,毫无疑问,应该被授予量子力学及其相关理论的创立和发展。量子论深入我们生活的每一个角落,它的影响无处不在,触手可得。遗憾的是,关于量子物理现象的试验很多实验室都成功地实现了重复,但关于量子现象的解释却没有达成一致,也没有形成主流解释,有些解释甚至用上与“意识”有关(推翻了自然科学的基本假设)。

  人们的确有理由感到奇怪,为什么在如此漫长的岁月过去之后,我们不但没有对量子论了解得更清楚,反而越来越感觉到它的奇特和不可思议。最杰出的量子论专家们各执一词,人人都声称只有他的理解才是正确的,而别人都错了。

  量子论的基本形式只是一个大的框架,它描述了单个粒子如何运动。但要描述在高能情况下,多粒子之间的相互作用时,就必定要涉及到场的作用,建立量子场论,这需要新的数学理论支撑。

  我们搞不懂量子论的主要原因是数学的发展落后于科学的发展。

  数学是科学的先锋。马克思曾明确指出“一种科学只有在成功运用数学时,才算达到了真正完善的地步”。数学为科学研究提供了工具,数学推理为科学探索提供了研究方向。只有数学发展到更高水平,科学才能上升迈上新的理论体系。如在物理学领域,当数学发展水平处于欧几里德几何学时期,科学研究只能建立在静止力学的基础上,对应的科学体系是托勒玫的“地心说”;牛顿发明了微积分,科学研究才可能在动态力学的基础上进行,逐步建立了哥白尼—牛顿的科学体系;当数学发展到非欧几里德几何学阶段,爱因斯坦以发展演变的动态宇宙观,用黎曼几何推演,才发明了广义相对论,建立了当今的爱因斯坦—霍金的科学体系。

  科学的好奇和探索推动数学不断向前发展,在科学发展过程中,也给数学提出一些新的课题。量子力学是在20世纪初由一大批科学家共同创立的,创立初期所用的数学是线性代数,彻底改变了科学家对物质组成成分的观点。量子力学研究了差不多一百年,特别是对量子纠缠的研究,有些现象既无法用代数来描写,也无法用分析来推演,由于数学发展水平的限制,至今无重大突破,并没有改变大众对物质组成成分的认知。量子力学没有取得突破,是因为没有现成可用的数学方法,急需要发明新的数学工具。

  关于量子物理现象,到目前为止,至少超过十几种的所谓“解释”,而且它的数目仍然不断地增加。很明显,在这些花样繁多的解释中,正确的只能是一种,绝大多数都是错误的,甚至很可能,到目前为止所有的解释都是错误的。但这却并没有妨碍科学家们把它们创造出来!物理学家的想象力和创造力是非凡的,到底在多大程度上,量子理论如同他们所宣称的那样,是对于自然界的深刻“发现”,而不属于他们纸面上的智力“发明”?(主编李志民)

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