为什么量子力学是描述粒子非连续运动的理论？
2015/3/2 哲学园

     为什么量子力学是描述粒子非连续运动的理论？

     高山

     鸣谢作者

     本文主要内容源自《量子运动与超光速通信》(2000)，是自己10年前的思想纪录。常感叹岁月如梭，转眼已到不惑之年。也许，唯有深邃的思想才能穿越千古，成为永恒。

     下面我将试图从历史与逻辑的观点论证量子力学正是描述粒子非连续运动规律的一种理论，尽管它并不完备。

     从历史的观点来看，量子力学的非连续运动解释继承了自量子力学理论建立以来所积累的诸多科学观念的精华。第一个基本而重要的科学观念是客观实在性观念，根据这一观念，人们一直坚信隐藏在神秘的量子波函数背后的微观物理实在的存在，并试图去发现它。坚持这一客观实在性观念的著名人物包括Einstein，Schr?dinger，De Broglie和其后的追随者Bohm、Bell等人，他们强烈反对具有实证论倾向的正统量子力学解释，并试图给出量子现象背后物质运动的实在图象。

     Einstein一生都坚信客观实在性观念。他认为，“在我们之外有一个巨大的世界，它离开我们人类而独立存在”，而“当今则过分地受到一种主观主义和实证论的统治，对于把自然界看成是客观实在的观点，现在人们认为这是一种过时了的偏见，而认为量子理论家们的观点是天经地义的”。Einstein对量子力学的看法是，“量子力学固然是堂皇的，可是有一种内在的声音告诉我，它还不是那真实的东西”，“不能相信：我们必须实际地并且永远地放弃那种在空间和时间里直接表示物理实在的想法”。此外，Einstein还利用EPR悖论来论证量子力学是不完备的，而只是对物理实在的一种统计性描述，他将这一看法形象地表述为“上帝不掷骰子”。然而，Einstein更多地将自己的论证依赖于他关于宏观经典世界的经验和信念，尤其是定域性观念，因此他所坚持的是一种经典实在观念，在今天看来是不适当的，但是Einstein对于客观实在性观念的坚定信念却一直在鼓舞后人去发现量子现象背后所隐藏的微观物理实在。

     Schr?dinger是坚持客观实在性观念的量子力学的创立者之一，他一直不同意具有实证论倾向的哥本哈根诠释。在给Bohr的信中Schr?dinger说，“即使一百次尝试都已失败，也不应该放弃到达目标的希望，我不是说通过经典图景，而是说通过关于空间时间事件之真实本性的一些逻辑自恰的观念来达到目标，这很有希望是可能的”。实际上，Schr?dinger在提出他的著名的波动方程后即给出了一种量子实在的场图象，尽管这一实在图象未能一致地解释量子力学的所有现象，但是Schr?dinger并没有放弃实现上述目标的努力，他最终以Schr?dinger猫这一著名佯谬表达了自己对量子力学解释现状的不满。Schr?dinger猫佯谬为后人将波函数坍缩过程解释为一种客观实在过程提供了最有力的支持，同时，这一佯谬将经典实在与量子实在从本质上联结起来，为量子实在的最终发现奠定了基础。

     de Broglie是量子理论的奠基人之一，他最早提出了波粒二象性的概念，为量子力学波动理论的建立提供了观念基础。de Broglie在1927年的索尔维会议上提出了他的量子实在图象---双解理论，虽然受到Pauli等人的反对而最终放弃，但却给后来Bohm的隐变量理论提供了启示。同时，受到Bohm理论的鼓舞，de Broglie于五十年代又重新发展了他的理论。

     Bohm于1953年提出了量子力学的第一个一致性的客观解释---隐变量解释。尽管这一解释本身存在许多问题，但它的确给坚持实在性观念的人们以更加坚定的信心，并证明这种信心是有道理的。Bohm的隐变量理论显示了量子现象背后的物理实在图象是可以存在的。

     Bell是日内瓦欧洲核子研究中心(CERN)的一位理论物理学家，他对发展客观实在性观念的巨大贡献在于他所提出的Bell定理。这一定理清晰地显示了量子现象背后的物理实在将不再是Einstein所相信的经典的定域性实在，而必须是一种新的非定域的物理实在。同时，也许是更重要的，Bell定理还提供了通过实验检验这一观念的可行性。因此，Bell定理应当被看做是人们对微观量子实在认识上的一次飞跃，它告诉我们量子实在必定是非定域的。

     近年来，量子宇宙和保护性测量等新理论的出现更加增强了人们去寻找量子实在的信心。在某种程度上，Aharonov等人提出的保护性测量不仅从理论上暗示了量子现象背后某种新的物质运动的存在性，而且从实验上提供了测知它存在的可能性。所有这些令人振奋的进展都已显示，量子现象背后神秘的物理实在离我们越来越近了。

     从逻辑的观点来看，人们采取客观实在性的观念有诸多合理的理由。正如坚持量子力学多世界解释的Deutsch所认为的那样，第一个理由是，如果我们能有一种包含客观实在的理论，那么它便具有哲学上的优越性，因此，在丢弃实在性概念之前，至少应该试图去找到这种理论；其次是，从科学的观点，尤其是物理学的观点来看，向一个理论的操作论解释的转变，就不可能获得下一个理论，因为后继的理论将是从我们现存理论的本体论向前迈进的一步，情况只能是，后来理论的本体论将更加奇特，更难以想象。而一旦摈弃了实在观念，我们就无法借助它来构造自然的概念模型，也无法进一步改变这一模型而发现新的理论。

     Einstein对此有更深刻的见解。他认为，实在性观念同我们所应用的其它概念和概念体系一样，都是人的自由创造，它们的价值在于它们能把经验“有效地”按顺序排列起来，它们的正确性在于它们能够说明经验，没有先验的理由可以假定这些概念在思维上是必要的，或者要禁止使用这些概念，起决定作用的是验证。而实在性观念在量子力学出现之前在物理思维的发展中一直无条件地起着决定性的作用，它告述我们一切都必须追溯到从空间—时间范围内来设想的客体，追溯到应适合于这些客体的规律性关系，因此我们有理由相信这一观念在量子力学中同样有效。另一方面，与之相对立的实证论的立场则认为“实在的”仅仅是单个的观察结果，而不是那些同观察行为无关的在空间和时间中客观地存在着的东西。然而，这种纯粹的实证论的立场，(要是一直推论下去的话)无论如何都带有一个致命的弱点，即它将导致把一切用语言表达出来的命题都说成毫无意义，而最后剩下来的“实在的”东西，就只能是没有任何一点可用来对它们做出陈述的“我”的经验而已，因为这些陈述中所应用的概念，在纯粹的实证论的分析中都毫无例外地被证明是一点意义也没有的。

     第二个重要的科学观念是粒子观念，它最早出现于Born的被广泛接受的关于量子力学的最小几率解释中，并为其后的诸多解释所采纳，如Bohm的经典隐变量理论等。根据这一粒子观念，量子力学所描述的最终物理实在应当具有粒子的特性，即它于任一时刻只处于空间中的一个位置上，并且质量和电荷等物理性质都属于这个粒子。

     从逻辑的观点来看，量子力学中波函数的线性叠加定律已强烈暗示，如果波函数所描述的是一种客观的物理实在，那么它更应当是粒子，而不是场。因为场同时存在于整个空间中，它的不同空间分支之间一般存在着不可避免的相互作用，从而将导致描述场的波函数的线性叠加定律的失效；而对于粒子，它于任一时刻只存在于空间中的一个位置上，从而处于不同空间分支或不同时刻的同一粒子之间不会产生任何相互作用，于是描述粒子的波函数可以自然地满足量子力学的线性叠加定律。其次，这一粒子观念的更大优势在于，它不仅可以描述非相对论量子力学中的粒子图象，而且与相对论结合后也可以描述量子场论中的“场”图象。

     最后，为了统一粒子与场这两种似乎完全不同的物理实在图象，人们一直在寻找它们之间可能的物理联结。现在，粒子运动的存在正好提供了这一联结，一方面，进行运动的物质客体首先是一个粒子，它于任意时刻只处于空间中的一个位置上。由于这一粒子特性，粒子的运动从根本上为波函数的客观坍缩过程提供了存在的基础，从而为波函数的外部粒子表现提供了说明，即实验上对波函数的测量总产生确定性的测量结果，例如照相底片上由单个粒子所产生的一个黑点，而不是多个黑点。另一方面，运动的粒子在很短，甚至是无穷小的时间间隙内将以一定的位置测度密度遍及整个空间，这正是粒子运动的类场特性。由于这种类场特性粒子运动的正常演化方程将是一种波动方程，如Schr?dinger方程，从而它将可以产生粒子的双缝干涉图样，同时，它也为单次实验结果的本质随机性提供了真实的物理起源。

     第三个重要的科学思想是人们在量子力学中放弃了经典连续运动的观念，即量子现象背后的物理实在图象，如果存在，将不再是我们熟悉的粒子经典连续运动的图象。这一思想最初是从Heisenberg的不确定性关系中引出的，根据这一关系，本质上我们无法同时精确测定微观粒子的位置与动量，而经典连续运动允许粒子的位置和动量可以被同时精确地测量。此后，人们通过对双缝实验的分析中也得出结论，即微观粒子不能只通过其中的一个缝而形成量子力学所预言的双缝干涉图样，它必定以某种方式“同时”通过了两条缝。最近，在人们用于实现Schr?dinger猫态的原子实验中，一些物理学家形象地将处于Schr?dinger猫态的原子描述为“‘同时’处于两个不同的空间位置上”。

     实际上，根据客观实在性观念，放弃经典连续运动并不意味着完全放弃对量子现象背后真实的物理实在的寻求，相反，它正为不同于(宏观世界中所表现出来的)经典连续运动的更基本的粒子运动形式敞开了大门。进一步地，人们的模糊描述“粒子‘同时’处于空间中的两个位置上”的确触及到了这种粒子运动的某些本性，并且表明了人们已依晰瞥见微观量子实在的倩影，它肯定是一种完全不同于经典连续运动的新的基本运动形式。

     我们知道，自从科学诞生以来，人们一直在研究宏观世界中所表现出来的物体的经典连续运动，并先入地将其做为自然界中唯一可以存在的运动形式。现在，通过对上述科学观念的历史与逻辑分析我们发现，客观实在性观念、粒子观念和经典连续运动的放弃这三个观念和思想的结合将自然导致非连续的粒子运动的存在，并且正如前面严格的数学分析所显示的，这种非连续的粒子运动是最基本的粒子运动形式，而经典连续运动只是这种基本运动在宏观世界中的表现而已。

    http://www.duyihua.cn
返回 哲学园 返回首页 返回百拇医药