大多數讀者初次接觸量子力學,是透過其詮釋的爭論:哥本哈根、厄勒、玻姆、隱變數、多重世界。這場爭論被描繪成物理學最深層的未解之謎。經過95年,該領域仍無法確定哪種詮釋是正確的,而且沒有實證解決的可能性,因為所有詮釋都做出相同的預測。一旦將關於此的兩個問題分開,這個謎團就小得多:一個數學模型重現了測量結果,而一個物理理論則說明了世界上是什麼導致了這些結果。如果量子力學是一個物理理論,那麼分歧的持續存在將是無法容忍的。如果量子力學是一個數學模型(一個波動力學系統上的機率演算),那麼這種情況就不足為奇。愛因斯坦的「上帝不擲骰子」正是這種抱怨:不是演算失敗了,而是機率演算被當作物理理論來對待,儘管它描述的是測量結果而非被測量的東西。分歧的持續存在本身就證明了量子力學在該領域的運作姿態屬於哪種類型。

當兩種姿態都能重現相同數據時,它們看起來完全相同。當你問如果一個替代形式同樣能很好地重現數據,會發生什麼變化時,它們就開始分歧了。對於一個數學模型來說,什麼都不會改變;選擇計算上較容易的即可。對於一個物理理論來說,這是一個嚴重的問題,需要解決,因為兩種不同的本體論不可能同時是世界的真實樣貌。

詮釋問題是更廣泛模式的可見症狀。自1928年以來,基礎物理學確認了大量的粒子和交互作用,但底層的本體論並未改變:由廣義相對論(1915年)確定的時空,以及由狄拉克方程式(1928年)確定的、在該時空上的波動性旋量場的相對論性物質。之後的一切(量子電動力學、標準模型、大統一理論、超對稱、弦理論、迴圈量子引力、扭量理論、有效標準模型)都只是在這個本體論內部增加了規範場、純量場和其他內容。在過去的一個世紀裡,沒有一個被廣泛接受、經驗證實的新本體論取代了它。後來的確認,包括希格斯玻色子和CKM混合,都是在繼承的本體論內部增加了結構,而不是取代它。問題在於,今天的僵局(量子力學-廣義相對論的結合、規範群、世代數量、超荷、測量問題、宇宙學常數)是否共享一個原因:物理學學會了比更新其本體論更快地擴展成功的計算形式。

這個診斷與經驗記錄相符。過去五十年的已確認預測(W/Z玻色子質量 1983年、頂夸克 1995年、希格斯玻色子 2012年、引力波探測 2015年並於2016年公佈)都證實了在1973年之前做出的本體論承諾。在過去五十年中,在數學模型方法論下提出的所有標準模型以外(BSM)的擴展都沒有產生已確認的預測。持續存在的基礎性問題,是方法論的產物,而非自然的特徵。資深學者(Smolin、Woit、Hossenfelder、Penrose)十多年來一直在撰寫關於停滯的書籍。這裡的診斷比他們的更尖銳:停滯並非「簡單的問題已經解決,而難的問題本質上更難」。停滯是產生經驗成功的方法論達到了其結構性極限。

1900年至1928年之間的量子革命產生了一個特定的本體論發現目錄:

到了1930年代初,核心目錄已經建立。該目錄承諾了特定的物理結構:物質是波動性的,原子具有離散狀態,粒子具有內在角動量和特定統計性質,物質波具有旋量結構,這迫使存在反物質。

矩陣力學組織了穩態之間的躍遷;波動力學給出了演化方程;變換理論表明這兩種演算等價。這種統一是一種數學成就,而非物理發現。狄拉克方程式做出了四分量旋量結構的本體論承諾。圍繞它的希爾伯特空間形式主義是一個數學模型:任何波動力學系統都滿足的演算。

這種分解是量子力學呈現時最常被模糊的事實。教科書中的量子力學將希爾伯特空間視為基礎,並將波動/自旋/統計結構表示在其中。歷史和結構的順序是相反的:波動/自旋/統計結構是1900年至1928年間發現的物理內容,而希爾伯特空間是具有離散狀態和機率性測量結果的波動力學系統的自然數學語言。

2000年代的重構定理(Hardy 2001年、Masanes-Müller 2011年、Chiribella-D'Ariano-Perinotti 2011年)使這一點形式化:量子力學源於一組關於機率和測量的操作公理。這些重構可以從兩個角度閱讀。量子基礎理論中的標準讀法是,量子力學是基於操作原理的自然結果。這裡採用的讀法更狹窄:操作公理可以恢復演算,但它們本身並不提供本體論,因此波動/自旋/統計內容必須來自外部。

那麼,測量問題恰恰是框架所預測的:將演算視為基礎,將場方程視為推導結果的產物。反轉順序,將場方程視為基礎,將演算視為場的統計行為的推導結果,那麼測量問題就簡化為一個關於連續演化如何產生單一結果的特定問題。這是真實存在的,但有界限,而不是過去95年來哥本哈根-厄勒-玻姆式的無窮無盡的詮釋蔓延。

同樣的重構也適用於標準模型。標準模型是應用於內部標籤(顏色、弱同位旋、超荷、世代指數)目錄的波動力學。這種分類是經驗性的。形式主義是標準的波動力學加機率機器。標準模型除了「波動性物質具有可分類的內部結構」之外,沒有新的本體論上的舉動。這就是為什麼「標準模型為何具有這個規範群?」這個問題五十多年來一直是一個開放的結構性問題,而標準模型內部沒有答案:標準模型的處理方式是數學模型處理方式,它不問這個問題。

這種區別目前在機器學習中也很活躍。爭論在於大型神經網絡是否建立了世界的內部模型,還是它們是複雜的函數逼近器,能夠擬合訓練數據的統計規律,而無需承諾產生它們的原因。Yann LeCun多年來一直認為,目前的語言模型是自迴歸預測器,它們學習語言的表面統計規律,而沒有內化世界的運作方式,真正的智能需要能夠從內部世界模型預測物理未來,而不是從文本預測代幣未來的架構。Karpathy、Chollet、Marcus和Mitchell都提出了相同觀點的不同版本:這些系統大規模地進行模式匹配,而這種模式匹配是否構成理解仍在爭論中。對立陣營認為,足夠多的參數和正確的訓練,就能產生看似理解的結構;機械可解釋性是正在對該問題進行裁決的開放經驗前沿。

這場爭論正是數學模型與物理理論之間的爭論,其中「函數逼近器」扮演數學模型的角色,「具有內部世界模型的系統」扮演物理理論的角色。雙方都同意這種區別很重要。一個在沒有代表其生成結構的情況下擬合訓練數據的系統,具有可預測的故障模式:對抗性脆弱性、分佈外崩潰、幻覺、在它見過的案例之外沒有原則性的正確理由。物理學在1920年代也經歷了類似的爭論。它在1932年悄悄地將演算與理論混淆,並將演算是否指涉任何事物這個問題交給了哲學家。機器學習領域尚未解決其版本的問題,這就是為什麼該爭論在那裡仍然清晰可見,而在物理學中幾乎看不見。

在數據集上訓練的神經網絡是一個函數逼近器。給定輸入,它會產生輸出,以一定的精度匹配觀察到的值。內部結構(權重、激活)僅受函數重現數據的要求約束。該模型對數據的生成方式沒有任何承諾。在相同數據上訓練的不同架構,可能擬合得同樣好,但具有完全不同的內部表示。它們之間的選擇純粹是實用的。

海森堡的矩陣力學在其最初的構建中,結構上是相同的。海森堡放棄了可視化的原子模型,並用對可觀測量的演算取而代之。矩陣元素⟨n|X|m⟩直接類似於機器學習模型的輸出:它們重現了觀察到的躍遷頻率和強度,但它們並沒有告訴你狀態之間發生了什麼。交換關係[X, P] = iℏ是演算的結構性約束,而不是關於物理現實的陳述。

這種類比很重要,因為擬合的表示可以在不指涉的情況下進行預測。對抗性範例使故障模式可見:對輸入進行微小、不易察覺的擾動,就會改變分類,揭示網絡響應的是訓練分佈中與貓相關的紋理統計數據,但這些數據並不指涉世界上任何貓形狀的東西。同樣的批評也適用於將海森堡矩陣視為本體論上的。如果你問X(t)在物理上指涉什麼,在矩陣力學中誠實的答案是,它指涉一個計算中的數字列,該計算產生正確的預測。位置只在測量中顯現;在測量之間,矩陣並不代表任何物理上的東西。該矩陣具有與隱藏層激活相同的本體論地位:工具上有用,語義上空洞。

擬合數據也不能約束對訓練分佈以外的推斷。一個在訓練集上達到100%準確度的模型,沒有原則性的基礎來預測該分佈之外的任何內容。分佈外失敗是普遍存在的,而不是例外,因為模型沒有它所建模的理論。

物理理論做出了更強的斷言。擬合現有數據的結構也迫使測試未經檢驗的領域會發生什麼,因為該結構指涉物理現實。廣義相對論在探測到引力波之前就預測了它們,因為度規是真實的。狄拉克在發現反物質之前就預測了它,因為旋量結構是真實的。經驗上的確認不是擬合。它們是本體論承諾的結果。

通用逼近定理表明,足夠寬的神經網絡可以表示任何連續函數。這是機器學習模型作為擬合器的優勢,也是它們作為理論的局限性:通用逼近意味著模型具有零獨特內容。任何數據都可以被足夠大的模型擬合;因此,擬合數據並不能證明底層結構。

量子力學作為一個數學模型,具有相同的屬性,但更弱的版本。希爾伯特空間/POVM機器非常具有表現力:給定已知算子代數上的測量統計數據,你通常可以找到一個希爾伯特空間、一個態和算子來重現它們。這種表現力有一個硬性限制。僅僅無信號不足以確定量子相關性:Popescu-Rohrlich(1994年)的PR盒相關性是無信號但超量子,因此量子統計佔據了更嚴格的概率論景觀子集。量子自然語言處理從另一個方向具體化了這種可移植性:用於描述粒子態的相同希爾伯特空間和張量積機器,已被用於模擬組合語言意義(Coecke和Sadrzadeh的DisCoCat),並在量子硬件上實現。該機器處理語言意義與處理物理可觀測量一樣容易,這正是你對數學模型而非物理理論的預期。上述重構定理使這一點更加清晰:除了無信號之外的操作公理,才是劃分量子子集的關鍵。

限定詞很重要。教授的量子力學更像是一個經過物理先驗(連續對稱性強制動量,旋轉不變性強制角動量,狹義相對論強制狄拉克結構,么正演化強制守恆定律)進行了大量結構正則化的機器學習模型,而不是一個具有任意架構的機器學習模型。結構性約束即使在從業者否認本體論承諾時,也會將本體論內容洩漏到形式主義中。但運作姿態仍然是數學模型,該領域將形式主義視為波動/自旋/統計結構被「表示在其中」的基礎對象,而不是反過來。

有效標準模型(SMEFT)是反向姿態明確化的最清晰當代範例。華沙基底在考慮風味之前,列出了59個不變重子數的六維算子;考慮三世代風味結構,常見的計算給出2499個獨立的實數威爾遜係數自由度。你發現的任何紫外物理學都可以通過適當地設定係數來吸收。SMEFT的設計並非為了挑選一個獨特的紫外完備性;它只能容納一個。這是誠實的數學模型姿態,也是方法論的終點:一個完全沒有本體論承諾的顯式測量框架。

通過經驗證實的物理結構的本體論承諾來衡量進展。1928年之後的承諾數量約為零個獨立承諾。此後的每一次確認預測,都是早期本體論舉動的結果:

每一個都是對物理理論承諾的確認。這些承諾可以追溯到本體論優先方法論仍然部分運作的時期,即1915年至1973年之間。標準模型自身的後續擴展(大統一理論、超對稱、技術 the color、弦理論的特定緊緻化)在過去五十年中沒有產生任何已確認的預測。

主要標準模型以外(BSM)計劃的持續失敗,在結構上與數學模型方法論達到極限是一致的。超對稱未能出現在大型強子對撞機上,弦理論經常被引用的數量級估計約為10⁵⁰⁰個通量真空,迴圈量子引力的經典極限問題,扭量理論的「googly problem」問題,都是從運行具有表現力的數學形式主義而不進行本體論承諾時預期的那種結構性僵局。這些形式主義過於靈活,無法被證偽,也不夠約束,無法進行預測。

物理學作為一個學科,一直在收集天文數量的經驗數據,並生產越來越複雜的數學形式主義來擬合它們,而實質性的本體論工作卻被推遲了近一個世紀。該領域的聲望建立在經驗成功之上,這些成功是真實的。基礎物理學中的智力停滯,也是真實且被廣泛承認的,是產生經驗成功的方法論倒置的結構性後果。

賦予我們標準模型相同的處理方式,也是阻止我們理解標準模型為何具有這種結構的處理方式。

經驗成就是真實的。形式主義是有用的。經驗目錄、精確測試和確認都是真實的。聲稱的是,記賬並沒有取代缺失的本體論工作,而該領域目前的僵局(在量子力學測量、量子力學-廣義相對論結合、規範群起源、世代、層次結構方面沒有根本性進展)是這種替代的結構性後果。在1925年至1932年間被推遲的工作,正是現在仍然需要完成的工作。

物理學在1932年接受了哥本哈根的交易,並且這項交易已經持續了95年。這項交易的內容是,數學模型的成功可以取代本體論的承諾。這種替代在半個世紀裡取得了非凡的成功,但在過去四十年裡一直在失敗。該領域一直在問為什麼自1973年以來沒有任何進展。診斷提供了一個答案:在數學模型方法論內部,不可能發生結構上新的事情,因為正是數學模型方法論本身造成了目前的僵局。恢復倒置前的處理方式(愛因斯坦的順序、狄拉克的順序、本體論優先)是唯一不會重蹈過去五十年失敗覆轍的道路。

這個說法比「我們應該更謹慎地對待詮釋」更強,比「1928年之後的一切都是錯誤的」更弱。進展的形式在1928年之前是正確的。取代它的進展形式已經達到了極限。在1915年和1928年具有承載力的處理方式,至今仍然具有承載力。

該領域並非因為形式主義無用而走錯路。如果形式主義免受本體論修正的保護,那麼它就走錯了路。一個世紀過去了,測試不再是品味;而是方法是否能產生經受住與實驗接觸的承諾。1932年被推遲的工作仍在等待著。

如果這個診斷能夠被理解,並且你想看到一個近期試圖恢復該方法論並對標準模型進行結構推導的嘗試,請參閱Wave Relativity(Tan,2026,CC BY-NC 4.0)。