量子力學是否違反了因果律?

蟲兒-飛飛-_


這個問題,量子菌來回答。量子力學的基本規律是統計規律,這和經典物理的決定論和因果律是有著根本的區別。

在牛頓創立的經典物理中,如果我們知道一個物體的運動方程,當了解到其初始條件後,我們就可以通過求解方程,計算出某一時刻該物體的位置以及動量。這就是一種經典物理的決定論,或者說是嚴格的因果律。這在宏觀世界裡,有著太多的例子,從地上車輛的行駛,到宇宙中天體的運行,這當然是符合我們日常的觀念。

然而,對於微觀世界,像電子和光子這樣的微觀粒子,它們服從的是量子力學規則,決定論和因果律就必須要放棄了,這裡起作用的是統計和概率論,此時,我們無法同時確定電子的位置與動量,這完全是反直覺的概念。以玻爾為首的哥本哈根學派更是提出:自然的規律就是統計概率性的,宏觀世界顯示出來的因果律不過是統計規律的極限和特例,是包含在統計規律之內的。

當然,這種激進的觀點,也遭到了像愛因斯坦這樣大神的反對,愛因斯坦對不確定關係,波函數的統計解釋等提出了很多質疑,試圖找出量子力學羅輯上的錯誤。但目前來看,是愛因斯坦錯了,也許大自然確實就是概率性的。


量子實驗室


答:量子力學中的規律,和我們常識有很大區別,量子力學用概率來解釋基本粒子的運動,如果強行引入經典力學的思想,必定會陷入困境。


有言論說量子力學與因果論相悖,指的應該是量子力學中的延遲選擇實驗,在該實驗中,我們後期選擇“放”或者“不放”光子檢測器,似乎會影響光子之前選擇走的路徑,從某種層面來看,似乎是違背前因後果論的。

在經典力學中,只要我們精確掌握了一個系統最初的所有狀態,理論上就能根據物理法則,預言系統今後所有時間的狀態,這就是決定論的思想;哪怕在混沌系統中無法對系統進行長期預言,也只是我們無法得到足夠精確的初始狀態參數而已,本質上混沌系統也是決定論的。


而量子力學不一樣,量子力學是基於概率的,不確定性原理是量子力學的基本原理之一,一切基本粒子的運動,都遵循薛定諤方程的描述,粒子某時某刻所處的位置,是空間的概率函數。

當基本粒子系統足夠龐大後,單個粒子的概率疊加就滿足統計學原理,然後整個系統遵循的規律過渡到經典力學,所以量子力學和經典力學並非完全矛盾,而是在不同尺度和範圍內發揮作用。


對於延遲選擇實驗,本質上是量子力學適用的範疇,如果我們強行用經典力學思想來解釋,就會得到“因果論被破壞”的結論;根據量子力學的根本哈根詮釋,在延遲選擇實驗中,後期放置探測器和不放置探測器,其實是兩組不同的實驗,不能一概而論。

涉及量子力學的實驗,需要把觀察者本身考慮其中,實驗者無法把自身獨立於實驗之外,這正是量子力學和經典力學的最大區別之一。

而在經典力學中,實驗者是獨立於實驗本身的,不會因為換了實驗者,或者換了一套測量裝置就導致實驗結果出現本質的差異;所以在延遲選擇實驗中,說違背因果論的觀點是片面的,因為你用了經典力學的思想,去理解量子力學現象。


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艾伯史密斯


因果律,也就是所謂的因果關係是我們認識宏觀世界的一種方式,簡單說就是如果我們知道某個事物的初始狀態,就可以根據一定的大自然法則預見事物之後的運行規律和狀態!

比如說打網球時,如果我們能夠請出地知道網球的大小,重量,材質,還有球賽擊打網球的力量,角度,當時的溫度,溼度,風向等(當然還有其他更細節的條件),我們就可以計算出網球的最終落點!

但在微觀世界裡並不是這樣的,即使我們觀察到某一個粒子的運動狀態,我們也永遠無法得知它下一刻的狀態和位置,因為微觀世界的粒子是不確定的,一切都只能用波函數去描述。當我們試圖獲取粒子的位置時,它的動量就會變得很模糊,而當我們想獲得粒子的動量時,位置又會變得模糊!

總之,在微觀世界,一切都是不確定的,這種不確定性是微觀粒子的固有屬性,不是因為我們觀測水平的高低決定的!

微觀世界的不確定性並不違反因果律,因為我們通常說的因果律也是針對我們所在的宏觀世界,並沒有強求因果律一定要在微觀世界也適用!

甚至還有人持有這種觀點,由於我們所看到的宏觀世界也有是微觀粒子構成的,而微觀與宏觀也不會有明確的分界線,這就意味著宏觀世界也存在著微觀世界的不確定性,只不過這種不確定性太不明顯了,體現出來的更多的是確定性,所以我們認為周圍的世界是確定的!


宇宙探索


量子力學沒有違背因果律。

單一的因果律,結果貌似是唯一的,其實不然,它也是大概率事件。

比如,屋簷滴水,水滴應該落在正下方。在這裡,我們忽略了空氣的擾動。在實際情況下,並不是每滴水都正好落在正下方,會稍微偏一點點。落到正下方,也就是個大概率而已。否則,水滴石穿的孔,直徑必須與水滴一樣大,也就5毫米。可實際上,水滴石穿的孔,都在15毫米左右。

在微觀世界,我們觀察的對象太微小,小得無法忽略周圍的環境,所以,我們無法看到單一的因果率,看到的是大概率。

在宏觀世界,我們忽略了環境影響,而且環境的影響也確實微乎其微,小得可以忽略不計。但你別忘了,環境的影響還是存在的。單一的因果律,只是大概率的簡化而已。

所以,更準確地說,是量子力學揭開了因果律的面紗。


教育反思者


先給結論,量子力學絕對違反了因果律,因此把愛因斯坦從奠基者之一,硬生生逼成了反對者(不完善也算反對吧),任何對經典科學認知論有感情的人,從本能上,都不能接受量子論的核心解釋(特別是哥本哈根派)。

只是,在強大的實證面前,愛因斯坦落敗。本貓也只能黯然神傷,默默接受這個無言的結局。

量子力學核心解釋

我再次強調,量子力學和相對論都是現代科學的基礎,這是毋庸置疑的鐵律。

量子力學遠遠不是單憑人的感官認識就能理解的,也與同學們日常的生活經驗得到的常識,有極大的不同,所以,它才讓人困惑不解,難以理解。

玻爾在談到量子論的理論時曾說,“問題不是它是否荒唐,而是它是否足夠荒唐”。作為量子論旗手的波爾,都有此感,何況一般人呢。

量子論對於物質本質的解釋是意識,每當我們一觀測時,系統的波函數就坍縮了,按概率跳出來一個實際的結果,如果不觀測,那它就按照方程嚴格發展,人類意識(consciousness)的參予是波函數坍縮的原因。

因果律

宗教人士先等等,我們不是談六道輪迴的因果,也先不研究靈魂,雖然我也接受這種美好的願景,但現在我談的絕對不是這個意思。


自然科學的因果律,是經典科學家一生中最大的榮耀。典型人物就是拉普拉斯,只要給予足夠的參數,足夠的算力以及足夠的時間,宇宙間的一切運行規律,無論過去未來,科學家都可以瞭如指掌,這就是因果律。

自然科學,本來一直自詡為宇宙萬物的立法者,持著最客觀,最嚴苛、最一絲不苟、最不能容忍主觀意識的立場;現在科學的之柱之一,量子論核心解釋裡面,居然要把人類的意識,或者換個詞——靈魂——放到宇宙的中心,甚至人類的意識,竟然也是創生宇宙的原因!經典科學認知論的持有者,怎能輕易接受如此本末倒置的邏輯?

科學的經典代表哥白尼,當年歷盡艱辛才將“神”從宇宙中心驅逐出去;不到200年,“意識”又改頭換面地回來了?——難怪愛因斯坦不能忍受啊。

量子力學的勝利

量子力學的勝利是顯而易見的,關於輻射場的量子化理論,費因曼.戴森利用“重整化”的方法後,電子量子電動力學QED,在電子磁矩計算中,一直與實驗數據符合到小數點後第十一位!僅次於相對論引力波與脈衝星系統觀測的對比數據。

半導體科技的日新月異,我們手上手機每一次開機關機,都提醒我們量子論已經滲入我們的生活中了。

在強大的預言和實驗數據吻合的前提下,許多人只能默默低頭接受,雖然心裡仍覺得真是荒誕無比啊。

哥本哈根解釋讓“意識”走得太遠,大多數的物理學家的選擇是把這個問題拋在一邊,量子論只要在實際中管用就行了,我們更為關心的是一些實際問題,你問為什麼?對不起,我們科學只管怎麼樣——能用就好。

結語

人類或許走得太遠,已經觸摸到天花板。

科學不回答為什麼,可阻擋不住人類終極的思考,如果這條路的盡頭,是一隻名叫“意識”的怪獸,我也只能苦笑著面對了吧。


貓先生內涵科普


量子力學是否違反了因果律?

其實關於物質本身的規律是很難用因果律來形容的,特別是微觀量子世界,試圖用經典力學來解釋?還有那位打算獲知宇宙某一時刻的狀態而計算出宇宙未來的拉普拉斯則更是異想天開!

一、什麼是因果律

表示任何一種現象或事物都有著直接或者間接的關係,在牛頓經典力學中,我們可以這樣來理解,只要或者一切初始條件,那麼事物的發展規律就可以用一套公式表達出來,即使再複雜,不過是輸入參數不一樣而已,有多少選擇參數,就有多少種輸出可能!

二、量子力學違背了因果律嗎?

最典型的運動案例是電子的運動,曾經以為電子就如行星一樣在原子核外圍的圍繞中心運動,但很可惜不是,電子有規定的軌道,但那只是它隨機出沒的區域,如果給它的能量足夠高,那麼它會可躍遷到更高的軌道,中間沒有過程,突然就在那裡出現了,請問你需要這樣的技能嗎?

以上兩者無法同時確定,這在經典力學中簡直就是抓狂!

另外一個案例則是雙縫干涉實驗,特別是“增強版”雙縫干涉實驗,也許可能會讓實驗者毛骨悚然,因為才光子後半程測量的方式居然干涉了尚未到達測試點的光子的行為,這是一個未來決定過去的實驗!

上圖為增強版雙縫干涉實驗,有興趣的朋友可以瞭解下!

但它們違反了因果律嗎?其實這是量子力學的世界,因果律是不是應該靠邊站了?量子世界服從量子力學的規則,決定微觀世界結果的是概率論,就像電子出沒的軌道一樣,我不需要知道它的位置在哪裡,但我們知道它會躍遷到這個軌道上!

但有一點我們不能否認的是,微觀世界的量子運動最終會在宏觀世界裡表現出來!比如電子的躍遷會發射光子,躍遷能級的不一樣,會發射不同的光子頻率,無數的電子躍遷會發射電磁波觸感發熱發燙,甚至到發光直至X射線甚至γ射線,這是因果律嗎?量子力學的因果律會表現在宏觀世界?不能這樣理解嗎?

哥本哈根詮釋說明了用波函數來描述量子力學世界中的量子運動態,概率論是量子力學中必不可少的工具,我們要習慣這樣的表述方式,不要試圖用一個蓋子去配所有的茶杯,這不僅是徒勞,而且還是笑話!


星辰大海路上的種花家


雙縫延遲實驗是將一個粒子發射通過雙縫後再隨機決定是否用儀器去觀測,結果和雙縫實驗一樣,觀測得到粒子的狀態,不觀測表現為波。這個結果說明,在粒子通過雙縫後,儀器的使用與否也就是是否觀測決定了粒子以什麼方式通過雙縫,似乎未來的事件影響了歷史事件如何發生。這是人們認為違背因果律的地方。

但是,這是直觀常規的思維,如果換個角度,粒子本身就是同時以粒子和波的形式通過雙縫,只是觀測與否決定了表現形式,那麼就不存在時間上的因果關係導致的先後矛盾,也就是說,什麼樣的結果起因於有沒有觀測。這同樣是一種因果關係。

其實,感覺量子力學與因果律的矛盾來自我們常規的邏輯思維,更深入的意識決定論,多宇宙解釋,甚至時空觀,都是需要改變思維習慣來理解適應的。


時空不在


1.因果律

一種主流的科學理念是:自然界的相互關聯是短程的。也就是說,我做了什麼只會影響到鄰居,不會影響直接到更遠的人。如果要影響到更遠的人,必須通過鄰居的鄰居傳遞下去。按照這樣的理念,我和很遠的人之間的聯繫就一定存在時間先後。這個就是因果律。這種科學理念是不相信“隔山打牛”和“心靈溝通”的,就是說“相隔很遠的兩個地方之間發生聯繫,不經過中間一步一步傳遞,直接溝通,這太過神奇所以不可能”。


2.量子力學哪裡違反了因果律?

量子力學有這樣的理論觀點:比如有兩個皮球放在兩個不同學校的操場上,這時一位量子力學專家給這兩個皮球施以“魔法”,然後當你敲了一下面前的皮球,另一個學校的皮球就同時彈起來了。這裡奇怪的事情是:第二個皮球彈起和你拍第一個球是同時的,隔空的,並不是因為第一個皮球先彈,帶動周圍空氣,最後帶動第二個皮球。那麼貌似是違反了上面說的因果律。(說得稍微認真點,這裡皮球就是電子或者其他粒子,兩個操場的距離可以有幾米,幾百米,幾千米都可以,這個“魔法”是量子力學理論裡給出的一些把這兩個粒子“綁定”起來的方法。)


3.仔細考慮下量子力學

量子力學的理論觀念不同於我們中學學過的牛頓力學。後者看待自然界是這樣:自然界的時空是個舞臺,所有的事、物都是舞臺上的演出。而量子力學的不同之處是:人要看到這個世界,一定要通過眼睛,人要聽到這個世界,一定要通過耳朵。世界還是那個世界,人不可能全部搞清楚,人能搞清楚的就是通過自己的眼睛或耳朵。換個比喻就是盲人摸象,有的人摸到腿,有的人摸到大象會動,有的人摸到大象是熱的。

歸納一下就是:自然界是什麼我們沒法做到全知,我們有什麼樣的手段,就知道什麼樣的信息。(更為抽象地說,不僅僅是人觀察自然界的方式如此,當我們去分析人在這裡面扮演的角色,就會把這種“自然-觀測-認知”過程更加歸結為相互作用:A和B如果發生關係,即相互作用,結果就是B被改變了,B就把A的某些信息提取出來了(比如“A是紅色”);A和C也可以發生類似的故事,只不過C從A提取出來的信息可能是另外一種,那麼對於C來說,它“理解”的A就是另外的信息(比如“A很硬”)。同樣是A,相互作用不一樣,相互作用的結果就可能不一樣,提取出來的信息就可能不一樣。)


如果上一段明白了,那麼量子力學的波粒二象性就很好理解。用“空間位置”這個方式去探測一個物體,我們得到的就是TA的位置,用波動的方式(比如共振)去探測同一個物體,我們得到的就是它的波動性(頻率)。用溫度的方式去觀察,就得到溫度。。。不同的觀測手段,雖然觀測的都是同一個對象,但是結論可能沒什麼關係,也就是說如果我觀測手段限定在觀察頻率,那麼位置可能就不一定了。那麼試著理解下面幾句量子力學裡常說的話:“一個電子既是波又是粒子”(取決於我們用什麼手段去觀察電子),“一個電子沒有精確位置,在同一時刻,它既可能在這,也可能在那”(說明我們並沒有用“空間位置”的方式去探測這個電子)。


4.量子力學的瞬時關聯貌似違反因果律,其實不然

如果上面一條明白了,讓我們回到兩個皮球的故事。這兩個皮球其實是某一個“球”或者某一個“實體”,我們找到(量子力學書裡有)一種相互作用的方式,讓這個“球”變成某種樣子,因為相互作用的方式我們不用“空間位置”這種方式,所以也可以“恰巧”讓這個“實體”(空間上)不在同一個位子上。那麼當我再次使用“空間位置”的方式,就可能看到不同位置的表現:拍了其中一個球,那麼背後潛藏的那個“實體”就會跟著做出反應,那麼這兩顆異地球就會同時彈起。看上去這兩個球之間“隔山打球”違背了因果律,其實並不違反,因為兩顆球看似是兩個球,其實是一個“球”。


事實上,上述都是邏輯討論,在實驗上已經有驗證,量子力學的遠距離“同時”(超局距作用)是被證實的。


5.因果律真的重要嗎?

在科學理論中,原因和結果一定是時間上先後順序的。除了時間順序,還有什麼別的要件保證因果關係,或者沒關係嗎?在理論公式中,在一次單一的實驗中,我們只能通過時間先後來規定因果,或者說在先的都可以被認為是在後面發生的事情的原因。沒有其他辦法讓我們可以斷定哪些事情之間是沒因果關係的。


在多次實驗後,我們才能夠總結出,並不是所有先發生的都是後發生的事情的原因,因為還有些事情沒有任何關係。但這裡需要注意,是否真的存在因果關係,需要經驗的總結,而不是理性的分析。那麼是否可以這樣說:因果律=時間先後+歷史經驗。如果實驗室發現了新的現象,原本對於因果的理念堅持都將毫無意義。那麼量子力學要麼沒有違反因果律,要麼改變了因果律的定義。討論至此,至少“時間先後”這件事情貌似還是可靠的。。。。。?


今天早晨看天氣陰沉,於是帶了雨傘出門,下午回家時下雨,果然用上了。我為什麼要帶傘?如果下雨是原因,顯然時間順序顛倒了。如果下雨不是原因,那帶傘也不是為了打小偷。原因並不一定在前。因果關係可能不是——至少不單純是由於自然之鐘的滴答聲,而是——至少一定有意識的存在。


小明和小紅結婚了,小明出軌了,小紅得知後痛苦至極,告到法院,遂離婚。什麼是離婚的原因?小紅的起訴?小明的出軌?還是發生更早小明對愛人的背叛?還是。。。?這裡離“量子力學和因果律”已經很遠了,量子力學和因果律可以解釋的事情太少了。


wangyaolee


量子力學,和違反因果關係有什麼關係?

量子力學,仍然符合事物的因果關係。

之所以大家把量子力學搞得神神秘秘的,吃不透,關鍵就是尺度太小。人一旦使用方法去觀察量子,觀察帶入的能量,就會就會讓小尺度的粒子們,狀態發生變化,就是大家經常講的波函數坍縮。

於是,就順著冒出了一個結論:觀察決定量子的狀態。

沒完全搞明白媒體繼續昇華:意識決定狀態。

好,事情就變味了。

其實,事情很簡單,一句話:觀察量子時,用到的能量,對量子來說,太大,會影響量子原來的運動狀態!


大風的筆記本


因果規律,從字面上理解,就是任何事情的發生,都有其必然的原因。有因必定有果,有果必定有因。因果規律的特點可以說是本質的、固有的、超越的、金剛的、註定的,不因迷失而損耗,不因錯亂而顛倒,不因否定而擺脫,不因抗拒而破壞。同時它又是可認知的,可掌握的,可運用的,是事物發展所固有的屬性。

在物理學中,人們將實際觀察到的微觀世界的物理現象,常用概率論來表示。物理學中也遵循因果規律,即現象的發生不是偶然性,而是一種必然性,只是為了方便起見,用概率這種語言來描述罷了。那麼同時,可能主導事物發展的原因有很多,在沒有誰佔明顯主導優勢的情況下,一些繁瑣的因素之間複雜的關係我們無法全部掌握,所以才會有“偶然性”的出現。

量子力學是描寫微觀物質的一種物理學理論,它主要研究原子、分子、凝聚態物質,以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論,與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱,許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科都是以量子力學為基礎。

量子力學的基本原理包括量子態的概念,運動方程、理論概念和觀測物理量之間的對應規則和物理原理。關於量子力學的解釋涉及許多哲學問題,其核心是因果性和物理實在問題。按動力學意義上的因果律說,量子力學的運動方程也是因果律方程,當體系的某一時刻的狀態被知道時,可以根據運動方程預言它的未來和過去任意時刻的狀態。

在經典物理學理論中,對一個物體或者體系的測量不會改變它原有的狀態,它只有一種變化,並按運動方程演進,因此,運動方程對決定體系狀態的力學量可以作出確定的預言。但在量子力學中,體系的狀態有兩種變化,一種是體系的狀態按運動方程演進,這是可逆的變化;另一種是測量改變體系狀態的不可逆變化。因此,量子力學對決定狀態的物理量不能給出確定的預言,只能給出物理量取值的幾率,在這個意義上,經典物理學因果律在微觀領域失效了。

量子力學表明,微觀物理實在既不是波也不是粒子,而是量子態。真實狀態分解為隱態和顯態,是由於測量所造成的,在這裡只有顯態才符合經典物理學實在的含義。微觀體系的實在性還表現在它的不可分離性上。量子力學把研究對象及其所處的環境看作一個整體,它不允許把世界看成由彼此分離的、獨立的部分組成的。

不確定不等於沒有因果關係,不能用事物發生的不確定性來否定因果關係的存在。同樣,也不能因為因果關係的本質存在,就認為因一旦發生,果就會100%以某種形式發生。 量子力學方程本身就是一個預測性非常精確的因果規律,它和牛頓力學定律、熱力學定律、電磁定律、質能方程等因果定律一樣,給人類帶來了巨大科學革命,量子力學原理只是證偽了決定論的普遍存在,既沒有證偽決定論(特殊因果規律)在規定條件下的存在,更沒有證偽因果律的普遍存在。


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