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对话诺奖得主:量子力学的未来将走向何方

时间: 2017年09月18日 | 作者: Melinda Baldwin | 来源: Physics today
诺贝尔物理学奖获得者杰拉德·特·胡夫特讲述了量子物理研究现状的不足之处,并提出理论发展的新方向。

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量子力学定律告诉我们,宇宙具有随机性。那么,物理学家必须抛弃决定论吗?对此,杰拉德·特·胡夫特(Gerard ’t Hooft不确信。

 

在新书《量子力学的细胞自动机解释》(The Cellular Automaton Interpretation of Quantum Mechanics, Springer, 2016)中,’t Hooft 提出我们可能仅仅是因为缺乏相关的数据,才无法将量子概率分布转变成精确的预测。(本书可以在 Springer 网站上免费下载,点击“阅读原文”跳转。)

 

《今日物理》(Physics Today,简称PT)杂志最近终于“逮到”了 ’t Hooft,和这位大咖聊了聊他的近期研究。

 

PT:您在新书第一章写道,本书“诞生于作者对宇宙的量子力学解释的不满”,您能否具体说明一下现有理论究竟在哪些方面不尽如人意?

 

'T HOOFT:我认为我们并不非得接受多重宇宙解释。大量平行宇宙存在的原因其实只是因为物理学家无法确定其中哪个才是真实的。

 

实际上,量子力学仅仅是给出了带有概率的预测。各种可能结果出现的概率不尽相同,这在科学研究中是很正常的。甚至在现实生活中,我们在进行预测时也常常诉诸概率。所以问题在于:量子理论描述的到底是什么?我认为我们之所以得到带有概率分布的预测,是因为没有掌握所有的相关数据,尤其是与初始状态中的重要特征相关的那部分。

 

PT:什么是(量子力学的)细胞自动机解释?它有哪些优越之处?

 

'T HOOFT:细胞自动机是一种动态系统的计算模型,它由分布在多维网格(通常是二维或三维)中的细胞组成。每个细胞包含一定比特的数据量,其中一个是时间变量。随着时间推移,所有的细胞都会根据某种算法得到更新。更新后的数据取决于该细胞及其最近邻细胞中原有的数据。

 

现在,我完全用决定论的方法来设计量子力学的细胞自动机模型,这里既没有希尔伯特空间,也没有薛定谔方程,只有传统的算法。但是我们可以在数学上引入希尔伯特空间,定义其中的基本元素,使它们对应于自动机的所有状态。然后用哈密顿量来定义薛定谔方程,使得细胞在时间值为整数时发生更新,而且所有细胞的内容都能够被精确地再现出来。这并不困难。

 

这个量子模型能够重现经典自动机的数据。但是问题在于,即使自动机的算法只与最近邻细胞相关,由此产生的量子系统似乎仍然是非定域的。由于真实世界是通过定域量子场论描述的,因此自动机模型仍然需要解释定域性问题该如何得到修复。在反对者看来,这是理论的致命点,但我并不担心。我相信这种矛盾只是表面上的,一定能够找到修复的办法。

 

PT:其他研究人员对于这种新理论有何看法?

 

'T HOOFT:各种声音都有。很多研究人员明确地表达了强烈的质疑。这也是理所当然,因为理论中存在尚未解决的重要问题。还有些人则表示很感兴趣。而我所关心的是,我还没有找到能够完全理解这一理论的同行。以及,我也不知道别人在我背后到底是怎么评论的。

 

PT:您目前在读些什么?

 

'T HOOFT:我手头有一堆邮件。大部分时间我一直在做计算。对于很多重要的问题,我想要找到更好的答案。

 

PT:您下一步的研究计划是什么?

 

'T HOOFT:除了细胞自动机模型外,我还在考虑另一个相关的问题:黑洞的量子理论。许多科学家认为他们的理论,比如弦理论,能够解答关于黑洞的所有疑团,我并不同意。首先,我不赞同对黑洞的常见描述,例如层层堆叠的膜、或是弦理论中的相关描述。标准的理论在描述黑洞时通常心有余而力不足。我认为这点很重要。

 

我自己的黑洞理论很简单:只需要最基本的量子引力描述——微扰论和一些物质形式,研究它们如何影响黑洞内部的粒子和场。接下来,再看看哪些地方不对劲。这时答案就浮现在我面前:我们还不理解史瓦西度规的拓扑学。我认为只有一种解决方式:假设视界的拓扑是个投影球面,视界上的所有点都被投影到它的对跖点。之前并没有相关的理论,现在也只有我在关注这个问题,但我相信这是极其重要的。所以我想尽力得到更好的理解。

 

撰文 Melinda Baldwin

翻译 阿金

审校 金庄维

 

文章来源:

http://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.4.20170711a/full/


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