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霍夫特《量子力学不用止步于随机性》对量子力学的批评主要在哪几个方面?
1. 对随机性和统计性的不满
霍夫特认为量子力学过于依赖统计性描述,无法提供精确的预测。他指出,量子力学只能给出粒子相互作用的概率分布,而无法明确解释为什么粒子在特定情况下会选择某一种路径。他主张物理理论应当像经典力学一样,能够精确描述单个事件的具体过程,而非仅仅提供统计结果。
2. 对叠加态真实性的质疑
霍夫特认为叠加态(如薛定谔猫既死又活的状态)是一种数学工具而非物理现实。他强调,宏观和微观世界中都不存在真正的叠加态,叠加态只是理论上的简化,掩盖了更深层次的物理机制。他主张物理理论应当描述具体的、确定的状态,而非模糊的叠加。
3. 对非局域性的反对
霍夫特坚持局域性原则,认为物理定律应当是局域的,即粒子行为仅由局部条件决定,而非受远处事件的影响。他批评量子力学中隐含的非局域性(如量子纠缠现象)是理论上的缺陷,认为真正的物理理论应当避免这种“灾难性”的非局域性。
4. 对量子力学神秘化的批评
霍夫特反对将量子力学神秘化或赋予其宗教般的超自然色彩。他认为量子力学本质上是一种数学工具,其奇异现象(如叠加态和纠缠)只是因为我们尚未找到更基本的理论。他呼吁物理学家回归理性,避免用复杂或模糊的概念掩盖问题的本质。
5. 对理论创新不足的担忧
霍夫特批评当前理论物理学界缺乏真正的创新,许多新理论在结构上并未突破传统框架。他指出,arXiv上的大量论文未能带来根本性突破,呼吁科学家以不同的思维方式探索问题,例如尝试用经典决定论的方式重新解释量子现象。
6. 对量子技术的局限性看法
霍夫特认为量子计算机等技术依赖于叠加态的概念,但其结果仍然是概率性的,无法提供精确答案。他建议量子技术领域的研究者应尝试用更基本的自由度(如经典变量)来描述现象,而非依赖量子力学的统计性框架。
总结
霍夫特的批评核心在于,他认为量子力学并非终极理论,而是一种近似工具。他主张物理理论应当回归经典的决定论和局域性,追求对自然更直接、更精确的描述,而非满足于统计性和神秘化的解释。他的观点体现了一种对物理学本质的深刻反思,尽管这些看法目前仍属于少数派。
霍夫特的主要科学成就:
Gerard ’t Hooft最著名的发现——也是让他和他的博士论文导师、已故的马提努斯·维尔特曼(Martinus Veltman)一起获得1999年诺贝尔物理学奖的发现——对理解非阿贝尔规范理论重整化的理解。霍夫特和维尔特曼共同证明了非阿贝尔规范理论是可重整化的——也就是说,在计算过程中出现的一系列看似无法处理的无穷大项,其实可以通过自洽且精确的方法加以规范和控制。这项成果不仅解决了理论物理中的重大难题,更深刻地改变了科学发展的方向,并为后来建立粒子物理的主导范式——标准模型(Standard Model)奠定了坚实的基础。
除此之外,霍夫特还取得了许多其他重大突破,难以在此一一详述。但其中几项尤为突出,堪称里程碑式的贡献,包括:他对夸克如何被束缚在质子和中子内部的机制的深入研究;他揭示了磁单极如何在高能条件下自然地从基本力的统一框架中涌现;以及他在黑洞物理方面的重要探索。在20世纪90年代,他在黑洞领域的研究促成了他提出“全息原理”(holographic principle)。这一理论认为,一个三维空间中的所有信息,实际上可以被完整地编码在其边界的二维表面上,就像全息图那样。这一理念后来成为融合量子力学与爱因斯坦的广义相对论、构建统一的“量子引力”理论的核心思想之一,至今在理论物理界仍具有深远影响。
霍夫特获科学大奖情况:
在现代物理学的殿堂中,鲜有人能和赫拉德·特·霍夫特(Gerard 't Hooft)的低调权威相比拟。这位来自荷兰的理论物理学家,如今是荷兰乌特勒支大学的荣休教授。在过去半个世纪中,他都在致力于重塑我们对现实世界中基本相互作用的理解。特霍夫特谦逊而温和的谈吐,往往掩盖了他在科学界的崇高地位;他的声誉,更多体现在他工作中展现出的严谨数学推理和深邃物理洞察力——以及他所获得的一系列著名奖项:包括诺贝尔奖、沃尔夫奖、富兰克林奖章等在内的众多殊荣,无不见证了他的卓越成就。
4月5日,他获得了科学界奖金最丰厚的大奖:基础物理学特别突破奖,价值300万美元,以表彰他在漫长的职业生涯中对物理学做出的诸多贡献。
附1:霍夫特对当今物理学的一些看法
在获得了世界上最高奖金的科学奖之后,理论物理学大师Gerard ’t Hooft分享了他思考问题的方法;特别地,他谈到他对量子力学发展现状的一些认识如下:
科学史表明,进步将会在不同的方向进行,……可以探索完全不同的途径。目前没有新进展的真正原因是,大家的思维方式都一样!
至于粒子,它们不可能是纯粹的点,因为纯粹的点什么也发生不了,粒子内部一定有某些东西,我们应该能够写下所有关于它们内部结构的法则。
量子力学的核心在于你可以考虑状态的叠加。这就是它的全部。我会争辩说,状态的叠加并不是真实存在的。……我相信在微观世界中,叠加态同样是没有意义的。
许多人依然沿用相同的思维方式——而现在人们尝试提出新理论的方式似乎效果并不好。我们有很多关于量子引力、统计物理、宇宙学的新理论,但它们在基本结构上并不“新”。人们似乎不敢于迈出那些我认为真正必要的大胆步伐。例如,在arXiv上,每年都有成千上万的论文出现,但没有一篇论文真正带来了那种伟大、闪亮的、能够改变局面的新洞见。当然,确实有一些启发性的见解,但它们并不是我们领域所需要的、能够带来基础性突破的见解。
我认为我们必须开始以不同的方式思考。而我一直保持着这样的态度——我在用不同的思维方式思考。特别是在70年代,有一种非常有效的方式可以推动进一步的进展:去用和你的朋友们不一样的方式思考,这样你就能找到新的发现!
从原则上讲,在进行量子力学、宇宙学或生物学等领域的探讨时,仍然存在一些脱离传统的方式。在我看来,人们的思考方式还不够新颖。
我对世界、对物理学、以及与物理学相关的其他学科的思考方式是,所有的东西应该更加合乎逻辑,更加直接,更加“接地气”。
许多人在写一些关于量子力学的论文时,喜欢在其中保留一些神秘感,好像这个领域有些奇异的东西,甚至近乎宗教般的性质。我认为这是完全错误的。量子力学是基于一种数学方法,用来描述非常普通的物理效应。我认为,物理世界本身是一个非常普通的、完全经典的世界。但即便是在这个完全经典的世界中,我们今天仍然有很多不知道的事情,在通往更深层次理解的道路上,我们还缺少一些关键的“阶梯”。
我说的这些“阶梯”是指利用这样一个事实——整个世界其实是非常简单和直接的。问题在于,世界在我们眼中依然显得复杂,这也是我们现在处于这种困境的原因。
量子力学并不是最终解释物体相互碰撞时遵循的基本法则的正确方式。我认为,如果你仅仅假设这些法则是局域性的,你就能很好地理解和解释量子力学。假设当这些粒子相撞时,它们的行为是由它们相撞时所在的位置决定的。也就是说,宇宙中其他地方发生的事情,原则上不应当影响到它们的行为。如果它们有影响,那就会出现我们所说的“非局域性”。但非局域性对于大多数坚实的科学理论来说将是灾难性的!
我不认为非局域性是必要的。我们之所以不知道当两个粒子碰撞时该怎么做,是因为我们不知道粒子到底是像大钢琴那样,还是像纯粹的点一样。但是,再说一遍,它们不可能是纯粹的点,因为纯粹的点什么也发生不了,粒子内部一定有某些东西,我们应该能够写下所有关于它们内部结构的法则:它们是如何相互碰撞的?为什么有时候它们走这条路,有时候又走那条路?它们是如何表现出自旋的?
我们应该能够将这些问题表述为坚实的法则,但我们离这个目标还太过遥远。这也是为什么我认为其他突破仍然是可能的——而且是许多突破!——它们将帮助我们更接近这种对粒子的理解水平,而这种理解今天我们甚至连一个大致的概念都没有。
在麦克斯韦之前,没人理解电场和磁场究竟是如何联系在一起的,他们认为:“哦,这个问题是无法解决的,因为它太奇怪了!”但是麦克斯韦说,不,你只需要这个公式,一切就能弄明白!现在我们完全理解了电磁相互作用的原理。认为你无法回答这样的问题是完全错误的。不,你是可以的,但你必须从头开始,就像我说的关于量子力学的那样。
如果你从一开始就认为量子力学只是给出统计答案的理论,而永远无法提供更精确的答案,那么我认为你走错了方向。人们拒绝放下这样的观念——认为量子力学是粒子的某种奇怪的、超自然的特性,以至于我们永远无法理解。错!我们是能够理解的,但我们需要先退一步,这一直是我在科学中的信条:在你理解某件事情之前,先退后几步。也许你需要进行一次漫长的回溯,甚至要回到一切的起点。
想象一下:如果没有量子力学,基本法则可能是什么样的?要回答这个问题,当然需要先解释量子力学到底是什么。
量子力学的核心在于你可以考虑状态的叠加。这就是它的全部。我会争辩说,状态的叠加并不是真实存在的。如果你仔细观察,事物从来不会叠加。[厄尔温]薛定谔问了一个很好的问题:比如说,我的猫可能死了,但也可能活着。它能处于叠加状态吗?这没有意义!
人们不应该继续坚持说一只死猫和一只活猫可以叠加。那完全没有意义——然而,在那个层面上,似乎唯一正确的答案是明确说出粒子的位置、速度、自旋等。而且,必定存在不同类型的变量随时间演化,比如整数值变量或离散运动变量,仅举两种可能。根据这些变量的描述方式,你不能使猫移动,也不能说它是死的还是活的,除非你引入的某些非局域的变化。一定有方法来描述所有的活猫状态和死猫状态,但这些状态会与那些根本不描述猫的状态混合在一起。
使用叠加状态不过是一种巧妙的技巧,一开始是有效的,但并没有触及我们真正想要理解的程度。我们必须退一步。
我认为量子技术只是你假设叠加系统真实存在时的结果。我的意思是,我们知道在宏观世界中,叠加态是没有意义的,这是显而易见的。我相信在微观世界中,叠加态同样是没有意义的,尽管看起来我们似乎除了叠加态之外没有别的方式来理解原子。我认为,量子技术领域的人们可能没有意识到,他们正在做的实际上与他们认为自己所做的事情的完全相反。他们认为自己在理解量子力学,而我认为他们应该做的是尝试去除量子力学来进行描述(现象),尝试使用更基本的自由度,比如我提到的那些离散状态。
确实,他们做了正确的实验,确实,他们试图做出正确的事情。而且,是的,他们的量子计算机在某些应用中可能比其他任何东西都更强大,因为他们理解“量子力学”——我的意思是,他们非常详细地理解这些微观系统如何实际运作,因为这是通过研究量子世界得出的结果。是的,我们知道小物体是如何反应和相互作用的。但我们的问题是,目前我们只能做出统计预测。一旦量子计算机给出的只是统计分布,而不是精确的答案,那么,“计算机”就走到头了;你再也不能在大多数应用中使用它了。
对于大多数情况,你希望以一种避免产生叠加态的方式使用计算机——因为你想要得到一个明确的答案。例如,你想解密一个秘密代码之类的东西。你想要得到确切的答案:“这就是它的意思,而不是那个!”我们不要把这个答案等同于这两种可能性的叠加——再说一次,那没有意义。
我想说的是:我们必须“解开”量子力学,看看其背后的真实面貌。除非量子技术专家开始这样做,否则我相信他们不会取得真正重大的进展。例如,量子计算机总是会出错,而设计师和操作员试图纠正这些错误。如果你正在试图纠正这些错误,那么对我来说,这意味着:你想要回到更基本的自由度,这些自由度永远不会携带任何错误,因为它们是精确的——它们就是经典的。但要有这种认识显然是非常困难的。
这就是我对我们为什么不能取得突破的感觉。我们应该换一种方式思考问题。
我认为不应该用比超过绝对必要的更复杂的术语来表达自然法则。你应该尽可能简化。即使是爱因斯坦也曾说过类似的话——你必须尽可能简化,但不能超越现实,不能超越真理。我们应该尽量避免神秘化;如果我们作为科学家只留下一串谜团,那我们就没有做对事。
我有点担心,全息原理只会促使人们变得更加向往神秘,而我恰恰想要的是极端的相反方向。我希望人们变得非常的理性。对我来说,甚至量子力学都已经离理性太远了。你知道,如果你重新阐述量子力学,把希尔伯特空间(一种允许无限维度的向量空间)当作一个实际的工具,而不是将其视为自然的基本特性,那么你甚至不再需要这种全息性!我希望更多人能够理解这一点。我们必须尽量精确地表达事物,以避免公众的误解对科学造成混乱。
附2:薛定谔方程的建立以及另有经典力学两种方式推得此方程介绍https://blog.sciencenet.cn/blog-38228-1461632.html
研究表明,物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系,能够把作为宇宙本原的物质粒子与时空及引力场动态地联系和统一起来。能够自然地解决粒子波动性物理机制、惯性起源与引力机制、时间之矢的物质根基和空间本底的量子构成[创建量子引力及演化物理学]、宇宙膨胀及加速膨胀[“暗能量”]、星系旋转曲线疑难[“暗物质”]、由量子场论计算的宇宙学常数比实际观测值大120个数量级等问题。可以系统地直接地推导出爱因斯坦——德布罗意关系、薛定谔方程、牛顿第二定律、牛顿万有引力定律、哈勃定律、普朗克长度、洛伦兹变换等一些物理基本公式,使牛顿经典力学与现代物理学密切联系起来。
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