量子力学的创始人是正确不

精到的量子力学批判_涂润生相对绝对论网站
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精到的量子力学批判
【摘要】不少人对量子力学作过批判,但是,自EPR质疑以后,说到点子上的批判还是极少的,多数是就非决定论的现象和结果的批判,而很少涉及到本质上的批判。EPR质疑也只是强调:根据定域实在论的观点,我们不相信情况是那样。本文的批判是试图指出量子力学错误的根源。认为将量子力学引入歧途的是三件事:第一,是不确定度关系及其解释的提出;第二,是对微观粒子衍射实验结果的几率解释;第三,态叠加原理的提出及由此衍生的“主观介入”观念。分别对这三个问题作了简单而深刻的剖析。
关键词:量子力学批判;统计决定论;定域实在论;不确定度关系;衍射实验;态叠加原理;主观介入;EPR详谬。
1.量子力学与传统实在论的矛盾
量子力学在当代科学发展中既是成功的、也是神秘的。其成功之处在于,它以独特的形式体系与特有的算法规则,对原子物理学、化学、固体物理学等学科中的许多物理效应和物理现象作出了说明与预言,已经成为科学家认识与描述微观现象的一种普遍有效的概念与语言工具,同时也是日新月异的信息技术革命的理论基础;其神秘之处在于,与其形式体系的这种普遍应用的有效性恰好相反,量子物理学家在表述、传播和交流他们对量子理论的基本概念的意义的理解时,至今仍未达成共识(特别是出现了不少诡异性解释)。量子物理学家在理解和解释量子力学的基本概念的过程中所存在的分歧,不是关于原子世界是否具有本体论地位的分歧,而是能否仍然像经典物理学理论那样,把量子理论理解成是对客观存在的原子世界的正确描述之间的分歧。
在量子力学诞生的早期岁月里,这些分歧的产生主要源于对量子理论中的波函数的统计性质的理解。因为量子力学的创始人把量子力学理解成是一种完备的理论,把量子统计理解成是不同于经典统计的观点,将单一过程与因果律的偏离自我标榜成了“量子力学描述中的统计决定性”。实际上,理论描述的统计决定性与物理学家长期信奉的因果决定论的实在论研究传统相冲突。在当时的背景下,对于那些在经典物理学的熏陶下成长起来的许多传统物理学家而言,对量子力学的这种理解是难以容忍的。这些物理学家仍然坚持以经典实在观为前提,希望重建对原子对象的因果决定论的描述。这种观点认为,现有的量子力学只是临时的现象学的理论,是不完备的,将来总会被一个拥有确定值的能够解决量子悖论的新理论所取代。量子哲学家普遍地把这种实在论称之为定域实在论,或者称为非语境论的实在论。从EPR悖论到贝尔定理的提出正是沿着这一思路发展的。这种观点把量子论中的统计决定论与经典实在论之间的矛盾,理解成是量子论与传统实在论之间的矛盾。
贝尔不等式的成立与否并不是量子力学姓“非定域统计”还是姓“定域因果关系”的试金石。阿斯佩克特的“量子纠缠”实验现象是在一个狭小的范围内的信息传递现象,并不能代表普遍规律,也就不能强硬地降低定域实在论在量子力学中的地位(同源的共轭粒子之间能够纠缠并不能决定不同源的广泛的粒子之间的相互作用和运动都是非决定论的)。2007年4月阿斯佩克特在Nature上的一篇文章中也承认:否定爱因斯坦的定域实在论思想不是由实验结果得出的必然结论,其否定还需有别的理由。穆尔敏(N. D. Mermin):“鲁道夫·佩尔斯爵士不相信贝尔定理证实了非定域性。”“对我来说,非定域性似乎为消除某些深深的困惑“太便宜地”提供了一条出路。”洛察克(G. Lochak):“依我之见,贝尔不等式的实验违反无关于所谓的“非定域性”或“非分离性”。这种违反只不过表明量子几率不是经典几率!”
佩雷斯(A. Peres)等:“贝尔定理并不意味着量子力学本身存在任何非定域性。特别是,相对论量子场论明显是定域的。简单而显然的事实是,信息必须被量子化或不量子化的物质携带。因此量子测量不允许任何信息传送快于实验中发射的粒子格林函数中出现的特征速度。”阿德尼尔(G. Adenier):“虽然证明贝尔不等式违反的实验愈来愈准确和无漏洞,但必须强调,不管如何地准确和接近理想,它们能证明的不外乎量子力学的有效性,而不是那定理的有效性。”
有关量子纠缠的实验结果及其对非定域性的支持,是由对量子纠缠本质的误解加上不严肃从事实验工作导致的。那些结果即使不是“黄帝的新衣”,也是将鬼魅隔空作用等同于非定域性(这就像仅凭远程男女网友有感情纠缠而否认他们各自有稳固的婚姻的情况一样)。可是,自从1982年阿斯佩克特等到人完成了那一系列实验之后,人们就迫不及待地认为那些实验结果不支持定域隐变量理论的预言,而是支持非决定论的量子力学预言。这使量子论与传统实在论之间的矛盾焦点,由对量子理论中的统计决定性特征的质疑,转向了对更加基本的量子测量过程中的“波包塌缩”现象的理解。因为量子测量问题是量子理论中最深层次的概念问题。冯•诺意曼在本体论意义上引入量子态的概念来表征量子实在的作法,直接导致了至今难以解决的量子测量难题。量子力学诞生之前,人们习惯于“试图站在传统实在论的立场上,对量子测量过程作出新的解释”。玻姆的本体论解释在承认量子力学的统计性特征,把量子世界看成是由客观的不确定性、随机性和量子纠缠所支配的世界的前提下,通过假设非定域的隐变量的存在,寻找对量子测量过程的因果性解释。量子哲学家把这种实在论称为非定域的实在论。[1]多世界解释在承认现有的量子力学的形式体系和基本特征是完全正确的前提下,通过多元本体论的假设来对具有整体性特征的量子测量过程作出整体论的解释。量子哲学家把这种实在论称为非分离的实在论。[1]
如果我们认为量子力学的形式体系是正确而完备的理论,那么,就能够用量子力学的术语描述包括观察者在内的整个测量过程。通过主体对客体有严重干扰的有限的几个量子力学测量实验而得到“观察者成为整个测量系统中的一个组成部分参与了测量中的相互作用”的普遍结论。这样照顾了量子力学的完备性,却又犯了以偏盖全和从特殊到一般的仓促归纳的错误。如果我们仍然渴望像“以可分离性假设为基础”的经典测量那样,在“以整体性假设为基础”的量子测量系统中,也能够得到确定而纯客观的测量结果,那么,我们必须要在观察者与被观察的量子系统之间作出某种分割,观察者才有可能站在整个测量系统之外进行观察。例如用电子枪以直线发射高速电子打向远处的一个屏(如电视机中的电子管显示器的工作)。我们只测量电子的出发点和着屏点(即起点和终点),对电子在电子枪出口与屏之间的运动过程没有受到干扰,位置也可以通过出发点和着屏点以及直线运动状态而确定下来(这就是间接测量,并不是没有测量运动过程中的电子。原子、分子中的电子更接近此处所说的运动过程中的电子而与穿过窄缝或被光子撞击的电子差别更大)。然而,在量子测量的具体实践中,量子力学测量观的开拓者仅通过存在严重干扰的少数几个直接的测量就认为“分割观察者与被观察客体的这个重要的‘阿基米德分割点’是永远不可能得到的”。不但如此,还用“薛定谔猫”悖论强化上述观念。要知道“薛定谔猫”悖论中的态叠加是永远不可能实现的臆想的无对应物的叠加,不能代表可以真实发生的状态。不能实现(即使取近似也不能实现)的过程所反映的情况不能成为普遍的规律。一些人为了圆滑或附和而将“特殊量子测量现象的非定域性和非分离性”归结为“量子测量的整体性”。最终在错误的思想方法和观念下越走越远,从而坚定而错误地认为“相对于科学哲学研究而言,如果把量子测量系统理解成是一个包括观察者在内的整体,我们将永远不可能在观察者与被观察系统之间作出任何形式的分割。而观察者与被观察系统之间的分界线的消失,将会使我们在不考虑观察者的情况下,对物理实在进行客观描述的梦想彻底地破灭”。2012年诺贝尔物理学奖获得者在不破坏单个量子的前提下实现了对其直接观测,就是实现了“观察者与被观察的量子系统之间的分割”。
以玻尔为代表的传统量子物理学家在创立了量子力学的形式体系之后,并不追求从量子测量现象到量子本体论的超越中提供一种本体论的理解。而是在认识论和现象学的意义上做文章。玻尔认为,观察的“客观性”概念的含义,在原子物理学的领域内已经发生了语义上的变化。在这里,客观性不再是指对客体在观察之前的内在特性的揭示,而是具有了“在主体间性的意义上是有效的”这一新的含义。这种把“客观性”理解成是“主体间性”的观点,在认识论意义上,所隐藏的直接后果是,使“客观性”概念失去了与“主观性”概念相对立的基本含义,从而使量子力学成为支持科学的反实在论解释的一个重要的立论依据(“科学的反实在论解释”这种哲学思辨有诡辩之嫌)。与此相反,近几十年发展起来的多世界解释,试图以多元本体论的假设为前提,恢复对客观性概念的传统理解;玻姆的本体论解释则是以粒子轨道与真实波的二元论假设为代价,把测量过程中的整体性特征归结为是量子势的性质。这两种解释虽然在理解量子测量现象时坚持了传统实在论的立场。但是,这些立场的坚持是以在量子力学中增加某些额外的假设为代价的。这正是为什么近几十年来,反思与研究量子力学与量子测量的概念基础问题,成为不计其数的论著和论文所讨论的中心论题的主要原因所在。
到目前为止,在守旧和/或无奈的量子物理学家的心目中,微观客体的非定域性特征和量子测量的非分离性特征已经成为不争的事实。如果我们站在科学哲学的立场上,像当初接受量子统计性一样,也接受量子力学描述的微观系统的这种整体性特征。那么,量子测量过程中被测量的系统与测量仪器(包括观察者在内)之间的整体性关系意味着,在微观领域内,我们所得到的知识,事实上,总是与观察者密切相关的知识。这个结论显然与长期以来我们所坚持的真理符合论的客观标准不相容(“主观介入”观念承认人的主观意识参与到客观的自然之物的发展变化过程之中。这样,自然之物的发展变化也就不全遵守相同的自然规律)。因此,接受量子力学的整体性特征,就意味着放弃了真理符合论的标准,而不惜寻求对传统实在论的核心概念——理论和真理的性质与意义——进行重新理解。
作为今日中国大学物理研究生教材的《量子力学》第四版序言中讲到:“对待量子力学基本概念和原理诠释,一直存在着持续的争论”;“……在进一步的探索中,人们对自然界物质存在的形式和运动规律的认识或许还有更根本的变革”(见《量子力学》曾谨言著第四版序言)。这就是说,量子力学始终存在着争议,或许离真理有相当的距离。
首先提出“光量子”的爱因斯坦讲到“整整50年有意识的思考,还没有使我更接近‘光量子’是什么的答案,然而当今有一些人说他们知道答案了,其实他们是在欺骗自己”。提出能级跃迁理论的玻尔讲到:“谁不对量子力学困惑,谁就不懂量子力学”。提出波函数的薛定谔坚决反对状态共存。海森伯认为量子力学不是对自然的真实描述。波恩将电子的干涉和衍射解释为发现粒子的概率。狄拉克认为量子力学的形式不是最终的形式。第一个发现光的非连续表现的普朗克至死都对量子力学持怀疑态度。费恩曼则断言:“我想我可以放心地说,没有谁理解(懂得)量子力学”(《物理定律的本性》[美]R.P.费曼关洪译湖南科学技术出版社)。可见,历史上量子力学的创立者和对量子力学作出过贡献的人们没有一个人对量子力学持肯定态度,对于量子力学的形式只是一种无奈。从这些物理大师们的态度上可以看出:一切有理性的人们都坚持物理的实在性,他们都没有把量子力学当作真理。爱因斯坦还说:“我坚定地相信,有人会找到一种比我的命运所能找到的一种更加符合实在论的方法,说得妥当点儿,是一种明确的基础”。对于由量子力学演绎出来的被当作最有希望的前沿理论“超弦”,诺贝尔奖获得者温伯格讲到:“所谓超弦(superstring)理论,最终提供了一个数学框架。它能用量子力学的术语描述引力,就像描述其它场一样。但是必须承认的是,所有这些辉煌的纯物理,还不能用精确的数字预言任何新的东西,更谈不上实验的验证,因而也不能让我们确信我们走在正确的路上”(《亚原子粒子的发现》[美]斯蒂芬·温伯格杨建邺肖明译P209)。以上这些应该是量子力学在今日物理中的现状,然而就是这样的一种理论,却被后来一些别有用心的人和一些不懂物理学的数学家将“量子力学”、“超弦”吹捧得无比辉煌,吹捧为辩证唯物主义的伟大成果,并将其作为真理和判据,充斥于今日现代物理理论。这使许多相关著述都将其称为20世纪“理性思维的伟大革命”,同时将“波-粒二象性”称为“辨证统一的全面认识”。由此可见今日物理学界对量子力学的认识分歧的严重程度。这些吹捧量子力学的人无非是借吹捧量子力学来抬高自己,并以此打压对量子力学的质疑。
将量子力学引入歧途的是三件事:第一,是不确定度关系及其解释的提出;第二,是对微观粒子衍射实验结果的几率解释;第三,态叠加原理的提出及由此衍生的“主观介入”观念。这三件事相辅相成地将量子力学变成了非定域实在的理论。想在量子力学的升级过程中作出巨大的贡献,必须从这三个方面的改造入手。
2.不确定度关系剖析
人们对量子力学主要原理的认识并不一致,有人认为量子力学的出发点和基本观念是“不确定度关系”,因此将对“不确定度关系”作一讨论。
在量子力学中,不确定度关系是根据“探测电子”的实验(或者粒子的波动性)提出的,在今日大学教科书中都有如下描述:“追踪电子:……有人说了,你们这个办法不对!像康普顿散射那样,电子是与个别光子碰撞的,光源调暗只能减少光子的个数,并不减弱对碰上它们的电子的干扰。每个光子的能量正比于频率,应当降低照明光的频率,加大它的波长。好吧!照你说的办”。
“我们不减弱照明的光,以免有电子漏网。但逐步改用较红的光,甚至红外线或微波(雷达)。随着照明波长的增大,起初还好,与上面描述的强光照明情况差不多,我们探知电子不通过孔1就通过孔2,记录不显示出干涉现象。但是由于光的衍射效应,散射的闪光在显微镜中所成的像实际上是一个扩展的艾里斑,它代表个别光子打在像面上的概率分布。当照明光的波长达到一定程度时,两孔的艾里斑严重地交叠起来,使我们无法分辨电子散射的光子来自哪个孔附近。这样一来,我们再次丧失了电子怎样通过双孔的信息。回头来看记录,啊,干涉条纹又恢复了!”。
“总之,要设计出一种仪器,它既能判断电子通过那个孔[这种仪器称为‘那条路检测器(which-waydetector)’]又不干扰干涉图样的出现,是绝对做不到的。这是微观世界里的客观规律。”(见《新概念物理学·量子物理》赵凯华、罗蔚茵著P26)以上相同的论述在大多数大学物理学书籍中都可以找到。
我们再来看费恩曼的观点:“在我们的实验中,我们发现不可能这样安排光源,使人们既可以说出电子穿过那个小孔,同时又不扰动分布图样。海森伯提出,只有认为我们的实验能力有某种前所未知的基本局限性,那么当时发现的新的自然规律才能一致。他提出了作为普遍原则的不确定性原理”……,“我们现在用来描写原子(事实上描写所有物质)的量子力学的全部理论都取决于不确定度关系的正确性”。……“但是如果一旦发现了一种能够‘推翻’不确定性的方法,量子力学就会得出自相矛盾的结果,因此也就不再是自然界的有效的理论,而应予以抛弃”(《费恩曼物理学讲义》第1卷[美]理查德·费恩曼(R.B.Feynman)。以上论述是海森伯提出“不确定度关系”的根据,也是今日量子力学中“不确定度关系”的由来。
我们用宏观物体按照量子论的论证方式进行讨论,量子力学的“不确定度关系”的“合理性”,就可以明确的体现出来。用一个粒子以宇宙中最快的光速去撞击另一个同数量级的粒子而使被撞粒子改变运动状态,这是宇宙中存在的必然规律,它严格符合牛顿运动定律,它不仅适用微观粒子,同样适用一切宏观物体,它是自然界中普遍存在的现象,而不是什么原理。衍射现象也不能成为“测不准”的理由将在下一节中说明。
量子力学用光子去撞击电子,而要求电子保持原有运动状态,办不到是必然的。如果用间接的方法测量呢?如果用不发生碰撞(或不发生严重干扰)的方法测量呢?实际上,间接测量和不发生随机干扰的测量是办得到的。例如:只测量电子的起点坐标和终点坐标,以直线运动的电子在起点和终点之间的运动路径就是确定的;电子在通过云室时,几乎不与云室中的蒸气发生碰撞,但可以留下径迹,电子实际位置就在那条径迹的回归中心处(认为电子被“弥散”在那条径迹的全部占有空间之中,是自欺欺人的。试想:电子走过之后,水雾状的径迹还在不断膨胀,难道电子的魂还留在径迹之中吗?)。至于实物粒子的干涉现象,可以用实物粒子在穿过缝时引起了电磁振荡,从而激发出了电磁波来解释。在原子和分子中,电子的运动实际上也是没有随机干扰的。要类比也只能与没有随机干扰的电子测量实验类比,而不能与有严重随机干扰的量子力学实验类比。
在现实生活中:电子的运动轨迹实际上是非常确定的:在射电管电视中电子的轨迹确定度是非常高的,这样我们才有清晰的电视图像。在气泡室中,一切粒子的轨迹也都是确定的,在电子的干涉实验中,由于人们不理解电子的干涉图像是如何形成的,才想出要用光去探测电子的轨迹,而光有动量又与电子同一数量级。用光去探测电子,这本身就是实验方案没有理性的表现,却要据此而推广到所有的场合而提出什么不确定度关系,是典型的以偏盖全的表现。让粒子穿过一个很窄的缝才算测准了粒子的位置,也是一种错误的观念。在现实中,难道只有让飞机穿过一个很小的孔洞才算测准了飞机的位置吗?2012年诺贝尔物理学奖获奖成果中的囚禁量子的实验,也可以看作是排除了随机干扰的量子测量。在微观世界中位置动量双确定现象也是非常多的:晶体的结构及其内部微粒的位置是严格确定的;地球人能观察到遥远的恒星的光亮就是因为光的传播路径是确定的;水分子的结构是一个确定的“V”字形;二氧化碳分子的结构是一个确定的直线形……。
有些人为确保“不确定度关系”是放之四海而皆准的,不惜否认自己观察到的一些实事。例如,高速穿过云室的电子具有确定的动量,其运动路径也被测准了(就是那条线状云雾的回归中心——线状云雾的无数横断面的回归中心连成的径迹)。量子力学的哥本哈根学派却不承认那是测准了电子的位置,说那是电子回到了经典状态——云雾的整个体积都是电子可能经过了的地方(否认了电子走直线)——线状云雾的直径就是电子的位置不确定值。保罗阱(Paul trap)中的静止离子的位置和动量也是同时具有确定的值。不确定度关系的连襟——零点能效应在此时失效。量子力学的守护者也必须否认这一实事。测准了也不承认,才能维护“测不准”,在观念上也就没有测得准,“测不准”也就不是真理。
3.微观粒子衍射实验的歪曲解释和正确解释
量子力学家先将波与粒子对立起来,然后又将它们粗暴地捆绑起来,得到了所谓“波-粒二象性”的可突然变身的怪胎。这样,对微观粒子衍射实验现象的解释就自然被歪曲了。严重的后果之一就是引出了位置的“几率解释”和“几率密度”的错误概念。
赵凯华讲到:“因为在自然科学中物理学最直接触及自然界的基本规律,物理学家对事物是最好穷本极源的。他们在研究的过程中不断地思考着,凡事总喜欢问个‘为什么’”(见《新概念物理学·力学》赵凯华、罗蔚茵著P5)。“理论物理学家不能仅仅埋首于公式的推演,应该询问其物理实质,从中构想出鲜明的物理图案来;实验物理学家不应满足于现象和数据的记录,或某种先进的指标,而要追究其中的物理机理”(见《新概念物理学·力学》赵凯华、罗蔚茵著P6)。
自然界中的一切物质都是由波组成的,没有波就没有粒子,粒子只是波沿闭合路径运动的轨迹,“粒子”与“波”的概念的属性是不同的。尽管粒子是实体,但粒子是波的产物(粒子是波的异构体),能组成粒子的“波”是场的运动(介质的机械振动波除外)。粒子又可以作为新的波源。将粒子与波并列本身就是概念的混乱(见张绵厘《使用逻辑教程》第二章概念的实质分类及相关关系P10~38)。光子能对屏产生冲击力,并不表明光子表现出了一个定域粒子的特性,只是表明在动量的表现上,光子有与定域粒子类似的特点(离散的波与定域粒子的特性有部分交叉重叠)。光子是完全的波而不是“波-粒二象性”的双面的东西。电子和质子是稳定的定域粒子,非湮灭性的强烈碰撞也不能还原为波,不是能随时变身的“波-粒二象性”的双面的东西。波围成的定域粒子在整体上是实在的粒子,只有在深入其内部考察时它才是一段闭合的波。所以,电子在整体上并不具有波-粒二象性而可以方便的“变脸”(变身)。
在非决定论量子力学中,核外电子被认为是以某种未知的神秘方式运动,从上一个点运动到下一个点的过程只能认为是在上一个点上消失而又在下一个点上出现。这种观念也是将受到了严重干扰的电子的衍射实验及其解释强搬到没有受到随机干扰的原子内部的结果(在电子的衍射实验中,一个入射电子具体打到哪一个点上,被非决定论量子力学认为是不符合因果律的)。这也是非常牵强的。因为,客观事物的运动和发展不可能逃脱因果律的束缚而成为有灵异行为的幽灵。
波函数的平方向来就是能量密度。如果粒子就是沿闭合路径传播的波,那么,波函数的平方就是定域的波的能量密度,而不是几率密度。
许多人都将现有科学技术的进步归为量子力学取得的成就,而事实是“量子就是离散的波或波围成的定域粒子”。这可以使现有的理论得到更好的解释,并消除了现有理论中存在的一切不合理解释。
量子力学的诞生改变了人们的认识观,使人们的认识从“实在”走向了“神玄”。“量子”本质的解析,将使人类的认识观再一次发生改变,唯物主义世界观(实在论、决定论)将重回物理理论。“量子”概念的解析将使物理学和人们的认识观,重新回到彻底的唯物主义的道路上来。
电子衍射现象的正确解释之一是:实物粒子在穿过窄缝之前就引起了光删前方的的电子的振荡,从而激发出了电磁波。观察到的衍射实际上是被激发出的电磁波的衍射。另一种可能是,各个真空点都可能极化而产生正-负能量光子对。粒子在到达缝之前就让该处的正负能量光子对的湮灭局部不对称(先头粒子吸收掉了负能量光子),从而多出了正能量光子。先头的粒子以牺牲自身的方式吞掉负能量光子,为后续粒子留下了正能量光子——伴生光(简称伴光)。后面的衍射实际上是伴光的衍射,而不是入射粒子自身的直接衍射。
无论是上面两种情况的哪一种,都表明电子在高速穿过窄缝时并没有变成完完全全的波,而仍然是定域的粒子。一个电子穿过双缝时,只能走其中的一条缝,而不是同时穿过双缝。电子穿过窄缝之后在靶上的出现具有统计性,其原因是受到了随机干扰,并不表明没有受到随机干扰的核外电子也只能在附近的空间中随机出现。
4.态叠加原理的使用条件,主观介入观念批判
两种不同的态相叠加构成一种新的态。这本是自然界的基本规律。没有什么神奇和特别的地方。态的叠加需要两个条件:①参与叠加的两种态必须能同时独立存在;②叠加可以被客观地实现。“薛定谔猫”态思想实验中,同一只猫非死即活,死猫和活猫只有一种是客观存在,因此,死猫态与活猫态不能实现叠加。如果某种臆想的叠加永远不能实现,那么,这种臆想状态就只能永远是臆想的非客观状态,没有客观的对应物。可见,“死-活猫态” 是编造的非实在的“态”(如果这种“态”是实在的,那只活猫必须能看到自己的尸体并将自己的尸体与活着的肉体合二为一)。由此可见,许多人在滥用态叠加原理。态叠加原理和主体对客体的影响不可消除的观念,共同决定了“主观介入”观念的诞生。这种观念错误到什么程度呢?可以认为“月亮在不看它时不存在”——完全背离了客观实在的判断标准。上面提到的“我们将永远不可能在观察者与被观察系统之间作出任何形式的分割”也属于“主观介入”的范畴。这都是主观唯心主义的表现。科学理论发展到主观影响到客观的状态,不能不说是一种悲哀。
一个氢气球在空气中缓缓上升,表明内部有氢气存在,氢气的原子和分子也是客观存在的,氢原子中的电子也是客观存在的。即,尽管我们没有深入观察氢气球内部的氢原子,也可以根据氢气球的客观存在而确认氢原子中的电子的存在和运动。想喝水时往杯子里倒上水,尽管我们没有深入测量杯中水分子及其电子,但是,这杯水及其内部所有的分子和电子的存在和运动状态对我们来说都是有意义的(能说这杯水中的原子核外电子的存在和运动因为我们没有具体地测量之而没有意义吗)。这两例都是“尽管我们没有深入内部去测量电子的行为,却可以认定核外电子的存在”的事例。原子分子中的电子,在我们不测量它们时是客观存在的。在这种客观状态中,没有主体而只有客体。也就相当于主客体之间实现了分割。将测量过程中对电子有随机干扰时的电子的表现,强加给原子分子中电子没有受到严重随机干扰时的表现,这是违背科学原则的粗暴的行为,属于张冠李戴(或以偏盖全)的范畴。
5.“EPR质疑”
爱因斯坦等学者同以玻尔为首的哥本哈根学派,曾就量子力学的有关问题展开一场旷日持久的世纪性大辩论,物理学史上称之为“EPR疑难”或“EPR佯谬”。有学者称,正是这种科学学术的辩论,大大地促进了人们对量子论本质更深刻的认识。也有学者说,21世纪物理学的梦想,是要将广义相对论与量子论统一起来。“EPR疑难”未解难题是学者们在20世纪留下的学术缺憾。不知上个世纪的梦想在这个世纪能否梦圆?
70年前即1935年,爱因斯坦、波多尔斯基与罗逊,在《物理评论》上发表了一篇重要论文,题为《量子力学对物理实在的描述是完备的吗》。论文对当时流行的以玻尔为首的量子力学哥本哈根学派观点或曰正统量子力学观点,提出根本性的质疑,从而引发了一场旷日持久的世纪性大辩论。这一质疑就是物理学史上著名的“E(Einstein)P(Podolsky)R(Rosen)疑难”。(“EPR”为爱因斯坦、波多尔斯基、罗逊3人名字的第一个大写字母),也称“EPR佯谬”。
今天,人们常常听到一种说法:在这场世纪大争论中,玻尔是胜利者,而爱因斯坦则是失败者。我们要指出,这种非此即彼、非是即非的简单判语,是毋视这一大争论对量子物理学发展的巨大贡献的。让我们稍加深入地讨论一下有名的“EPR疑难”。
设有一总自旋为0的静止粒子衰变成为二个粒子A、B,按量子力学,系统的态应为:
这是一个自旋为单态的双粒子纠缠态。式中和乃自旋沿任一方向Z时,粒子A、B的自旋算符的本征态。如果现在我们来测量某个粒子,例粒子A沿Z方向的自旋。按量子力学中的测量方案,纠缠态首先应按被测量算符的本征态作展开,这一展开其实已在公式(1)中实现,若测量结果为A粒子处于的本征态,则B粒子也立刻自动处于本征态,若测量结果为A粒子处于的本征态,则B粒子立刻也自动处于的本征态,值得强调指出的是:
1)处于纠缠态中的二个粒子,即使不存在因果关连或其间隔为类空间隔,上述测量结果依然成立。
2)测量结果必伴随着双粒子态从它的叠加纠缠态坍缩或跃迁到它的一个本征态例坍缩或跃迁必是一个瞬时的非局域的非决定论的过程。
EPR认为,情况1)说明正统的量子力学违背相对论的基本精神。情况2)中出现的非局域,非决定论的坍缩或跃迁现象违反客观的物理实在性要求或决定论要求。总之,虽然在微观物理中,量子力学的计算结果能对实验结果提供准确的预言,它的物理基础却是不完备的有待改进的,这就是著名的“EPR质疑”(是在个著名的物科学家对量子力学的质疑,习惯上叫做“EPR详谬”)。
为了解决这一“疑难”,不少理论物理学家企图建立量子力学的隐参量理论,他们认为或许迄今为止,决定微观粒子的决定性行为的隐参量尚未找到,波函数的统计解释实乃目前一种权宜之计。1964年,在爱因斯坦去世9年以后,英国物理学家贝尔从隐参量存在和定域性成立出发得到一个可供实验检验的不等式,把一个长期争论不休的理论问题,变成一个可供实验判决的问题,从而对“EPR疑难”、对量子力学的理论基础作出了重大贡献。17年以后,阿斯佩克等人(1981年)利用纠缠光子对在更一般情况下发现实验并不支持贝尔不等式而支持量子力学的正统解释。
看来,如果夸大贝尔不等式的作用(或者将阿斯佩克等人所的一种量子的几个特殊实验结果推广应用到一般情况),似乎可以下结论,由EPR于70年前所引发的这场世纪大争论目前已经有了一个了结。但是,同源光子之存在非决定论的纠缠,并不能代表所有粒子之间的相互作用都是非决定论的(这就好比“人类中存在能引导非因果关系作用的灵异人士,但我们仍然不能全盘否认因果律,绝大数人还是按照因果律生活,而不能认为所有的人和物之间都是按非因果律的方式发生关系”。即特殊到一般不能盲目归纳)。实事上,量子力学也不是仅仅讨论同源的同种粒子之间的相互作用。
谁能回答下列问题:处于纠缠态中的粒子之间究竟存在一种什么性质的关连?或相互作用?贝尔不等式真的有那么大的作用吗?物理过程的时空描述是万能的吗?隐参量的失败明确告诉我们量子力学中的跃迁(transition) 或波函数坍缩显然不可能是一种时空过程,那么所谓非时空过程又是什么?它不受定域场论的约束,可以不遵守相对论,它是什么?不能回答这些问题,就意味着不能完全肯定量子力学的正统解释。
看来,虽然目前我们可以说一系列的精密实验支持了量子力学的正统解释,但“EPR疑难”中揭露出的正统量子力学的一些老大难的深层次基本问题依然存在,这不禁使我们想起著名理论物理学家费曼的一句名言(1965年):“我确信没有人能懂得量子力学。”
难道不是吗!不正是爱因斯坦、波多尔斯基和罗逊使我们懂得了我们在哪些方面还不懂得量子力学!
看来,量子力学还有待完善,有待发展,也许在它与广义相对论的统一过程中,人们会看到新量子力学的一线曙光。
D.Bohm and B.J.Hiley, The Undivided Universe: An ontological interpretation of
quantum theory, Routledge and Kegan Paul, London (1993).
Jeffrey Alan Barrett, The Quantum Mechanics of Minds and Worlds, Oxford
University Press (1999).
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