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EPR論證之哲學意蘊
EPR論證之哲學意蘊
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  [中圖分類號]N02 [文獻標志碼]A [文章編號]1000-8284(2008)04-0009-05
  量子力學在上個世紀20年代就形成了形式系統,然而圍繞它的解釋長期聚訟紛紛。在此以EPR論證為個案,談談這些爭論的哲學意義。
  一
  在量子力學眾多解釋體系中,占據統治地位的是以玻爾為代表的哥本哈根學派。哥本哈根解釋可簡單地概括為:第一,還不曾被測量的量子系統處于一個真正不確定的狀態,說它處于一個特殊的未知狀態是沒有意義的,并可能實際地導致矛盾。第二,測量的作用迫使系統采取被允許的可能狀態之一,其概率能夠由系統對應的波函數及其測量計算而得出;第三,量子力學的形式體系已不再是自然界本身的描述,而只是人們關于自然界知識的描述。“幾率”、“互補”和“不確定”是他們解釋核心。
  這種解釋與長期以來人們心中:客觀世界獨立存在、服從決定性因果描述的本體的信念相沖突,遭到以愛因斯坦為代表的、堅持科學實在論的一些人的反對。愛因斯坦堅信:“可愛的上帝不是在擲骰子”,實體是獨立自在的,微觀粒子也是離開主體而獨立自存的,科學認識能夠精確的一一摹寫微觀粒子本真的存在狀態。對哥本哈根的解釋,愛因斯坦指出:“這種論證中我所不喜歡的,是那種基本實證主義態度,這種態度從我的觀點看來是站不住腳的,我以為它會變成同貝克萊的原理‘存在就是被知覺’一樣的東西[1]。”
  為此,1935年,愛因斯坦(A. Einstein)和他的學生波多爾斯基(B. Podolsky)和羅森(N. Rosen)三人(合稱EPR)在《物理評論》(Physical Rview)上發表《量子力學對物理世界的描述是完備的嗎?》(Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?)一文(后被稱為EPR悖論)即EPR論證,詳細闡明他們量子力學不完備的看法:
  論證的出發點是①②兩條判據和論證暗含的③④兩條假設:
  ①科學理論完備性判據(理論完備的必要條件):“不管給完備這個名詞以怎樣的意義,對于下面的要求看來總是必要的:物理實在的每一元素都必須在這物理理論中有它的對應我們把這叫做完備性的條件。”這只是完備性必要條件,不是充分條件。
  ②實在性判據(實在要素的充分條件):“要是對于一個體系沒有任何干擾,我們能夠確定地預測(即幾率等于1)一個物理量的值,那么對應于這一物理量,必定存在著一個物理實在的元素。”要求物理實在的要素,只能借助于實驗與測量得到,不能由先驗的哲學來確定。
  ③定域性假設(即系統可分隔性原理):在兩個曾發生過相互作用,但從某一時刻起已不再發生相互作用的體系中,“無論對第一個系統作什么事,都不會使第二個系統發生任何實在的變化”。
  ④有效性假設:量子力學的統計預言,至少在量子力學的范圍內,是被經驗所證實了的。
  在上述基礎上,愛因斯坦等指出:“在量子力學中,通常由此所得出的結論是:當粒子的動量是已知時,它的坐標就不具有物理實在性。更一般地說,在量子力學中得到證明的是:如果對應于兩個物理量(比如說A和B)的算符是不可對易的,也就是說,如果AB≠BA,那么,要得到一個物理量的準確知識,就會排除另一個物理量的這樣的準確知識。而且,任何一種想在實驗上測定后者的企圖,都將改變體系的狀態,使得前者的知識受到破壞。由此可見,要末i由波函數所提供的關于實在的量子力學的描述是不完備的;要末ii當對應于兩個物理量的算符不可對易時,這兩個物理量就不能同時是實在的[1]328-335。”
  現在目標已經明確。愛因斯坦認為,只要證明了兩個不對易的物理量是能同時是實在的,就可以一舉擊敗玻爾。為此,愛因斯坦使出了其拿手好戲,設計了思想實驗:
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  面對以愛因斯坦為代表的反對派對哥本哈根學派解釋的責難,玻爾則在哥本哈根學派解釋框架內回應:
  玻爾指出:“實際上,由于作用量子的存在所規定的客體與測量儀器之間的相互作用,導致了最終放棄因果性這一經典概念,并大大修正我們對待物理實在問題的態度的必要性——因為如果測量儀器要適應于它們的目的,那么客體對它們的反作用就是無法避免的。事實上,我們即將看到,當用于我們在此論及的實際問題時,上述作者所提出的那一類關于實在的判據——無論其陳述顯得多么嚴謹——包含著一種本質上的含糊性[2]。”
  在玻爾的解釋語境中,我們可以看出:在量子力學中,要談“存在”,就不要忘記測量,“存在就是被測量”嗎!由于作用量子的存在,測量就不能違背不確定關系,因此,“對一個體系沒有任何干擾”是站不住腳的。
  接著玻爾進一步指出:“表面的矛盾其實只表明了習見的自然哲學觀點在本質上不適用于合理地解釋我們在量子力學中所涉及的現象”。“按照我們的觀點”(即互補性觀點),“在自己的領域內,……,量子力學顯然是一種完備合理的描述[2]。”
  玻爾在此運用了哥本哈根學派解釋的哲學思想——“互補原理”,以反駁愛因斯坦責難中的“二擇一”的觀點:在你那里是對立的觀點,我這里是“互補”;你那種:要末、要末,二擇一的觀點,在我這里是行不通的!
  針對愛因斯坦的絕招——思想實驗,玻爾領教過它的厲害,這次玻爾自然不敢怠慢。但作為哥本哈根主帥的玻爾,畢竟技藝精湛,一出手就化解了它的凌厲攻勢。玻爾反駁大意為:
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  這一場戰斗又以玻爾占上風暫告結束,但愛因斯坦心中不服!
  二
  花開花落,經過長達14年的深思熟慮,愛因斯坦意識到,前三次總是在哥本哈根的“一畝三分地”(哥本哈根解釋框架)里過招,自己豈能不吃虧?何不把玻爾“誘”到“自家的院內”?于是愛因斯坦撰寫了《對批評的回答》一文,文中指出:
  “現在就愛因斯坦—波多爾斯基—羅森佯謬的討論講一點意見。……在我知道其觀點‘正統的’量子理論家中間,我以為尼耳斯·玻爾對這個問題的觀點最近乎公正,翻譯成我自己的表述方式,他論證如下:如果兩個子系統A和B形成一個總體系,這個總體系是由它的Ψ函數Ψ(AB)來描述的,那就沒有理由說,分別加以考查的子系統A和B是什么互不相干的獨立存在(實在的狀態),即使這兩個子系統在被考查的特定時間在空間上是彼此分隔開的也不行。因此,認為在后一種情況下,B的實在狀況不會受到任何對A進行量度的(直接)影響,這種論斷在量子理論的框架里是沒有根據的,而且(正如這個佯謬所表明的)是不能接受在用這種方法研究問題時,顯然,這個佯謬在迫使我們放棄下述兩個論斷之一:
  ①用Ψ函數所作的描述是完備的;
  ②在空間上分隔開的客體的實在狀態是彼此獨立的[1]328。”
  久謀深算的愛因斯坦將爭論的焦點重塑,把完備性問題變成定域性問題,此舉堪稱為高明之舉!因為在宏觀領域內建立起來的物理學研究傳統,非定域性概念是不為絕大多數人接受。在相對論如日中天的時代,你量子力學允許超光速?!
  愛因斯坦這一戰略舉動,擊中了問題的要害。不少物理學家行動起來,想方設法排除量子力學中的非定域性。玻姆為此提出,有必要引入一些附加變量——隱變量,來探索對非定域性行為的明確說明。為此玻姆重塑EPR思想實驗(EPR思想實驗涉及的是連續的力學量,玻姆的思想實驗涉及的是分立的自旋力學量,這一改進使得既便于數學處理又便于實驗檢驗)。貝爾在玻姆工作基礎上,得出所有的定域隱變量理論都隱含著一種定域性假設。貝爾在局域隱變量理論的基礎上,討論了兩個自旋為1/2的粒子所組成的自旋單態系統,推導出一個不等式——貝爾不等式(貝爾不等式先后有兩個版本,前者假設探測器是理想的,不漏掉任何粒子;后者比較現實,承認粒子有可能丟失,只有后一版本才能與實驗比較,這里給出的是第二版本):
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  因此,我們可以看出:量子力學和局域隱變量理論對實驗的結果預期明顯不同。
  貝爾不等式正確,意味著兩粒子關聯是局域性的(非超光速);如果按量子力學推導出來的式子正確,那就意味著兩粒子關聯是非局域性(超光速)。誰是誰非期待實踐檢驗。
  1982年,以阿萊恩·阿斯佩克特為組長的法國奧賽理論與應用光學研究所里的一群科學家第一次在精確的意義上對EPR作出檢驗。實驗結果和量子論的預言完全符合,而相對局域隱變量理論的預測卻偏離了5個標準方差。爾后,許多物理學家都重復阿斯派克特的實驗,并且運用更新的手段,使實驗模型越來越靠近愛因斯坦當年那個最原始的EPR設想。1998年,奧地利因斯布魯克大學的科學家們讓光子飛出相距400米,其結果偏離了局域隱變量理論預測30個標準方差。2003年,Pittman和Franson報道了產生于兩個獨立源的光子對于貝爾不等式的違反,等等。貝爾不等式的突破,意味著超光速傳遞信息可能存在,這樣相對論的前提就可能有問題了。
  愛因斯坦深謀遠慮的這一招,其結果非但沒有證明量子力學不完備,反倒讓自家的相對論備受質疑!引出了被譽為是20世紀物理學史上重大突破性進展的量子力學與狹義相對論之間竟然存在不一致這一問題。這可是物理界大是大非之事!畢竟量子力學與狹義相對論都是現代物理學的兩大支柱,倒了哪一根,物理學大廈都要蹋。為了使量子力學與相對論性協調一致,專家們紛紛披掛上陣。
  A·法因解釋到:貝爾語境中的定域性是指測量和觀察;愛因斯坦語境中的定域是指“系統的一個真正的物理態”。這些態決定真正的物理量,而這些物理量不同于量子力學中的變量。因此,用不著為測量量子力學的變量時出現的非定域的行為而煩心。相對論沒問題[4]。
  玻姆雖然承認非定域的存在,他把非定域性看成量子勢的性質。量子場由滿足薛定諤方程的波函數來描述,并通過量子勢作用于運動的粒子。在EPR實驗中,量子勢使在空間中相互分離的兩個粒子之間表現出一定的關聯。由此避開了把承認非定域性理解成超光速所造成的麻煩。
  埃弗雷特的多世界和多心解釋也得到不少人認可。他從純粹的波動力學出發,把波函數的所有疊加態看成是不同世界或不同的心靈感應,一個觀察者對相互關聯的系統之一的觀察,不會對另一個距離的系統產生任何影響。因此,兩個系統之間不存在相互作用,不存在信號的超光速傳播問題。
  除了上述觀點外,還有統計系統主張:Ψ函數是對統計系統的描述,而不是對單個體系的描述,由此,把與非定域相關的自旋關聯理解成是系統的屬性,而不是單個粒子的屬性一。因而EPR實驗中兩粒子關聯只是一種統計關聯,并不是非定域性關聯;還有的人提出,量子力學是在運動學意義是非定域的,而相對論要求的是動力學意義的定域性。動力學的定域性意味著,只有在運動的光錐內,“這里”的態不影響“那里”的態;而一個量子態表述的是在測量時各種可能性疊加,是相互糾纏,量子態既在這里也在那里,它的變化是一種整體的變化,因此,量子非定域性并不意味著必然有超光速的信息傳遞。
  這些不同的解釋,共同之處就是闡明不能以經典物理學的思維方式理解量子力學,量子力學與相對論不矛盾。相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱,對于我們這個世界的構造和其運行規律,兩種理論分別建立起一套完整的理論體系,但兩論一元化問題一直是人們關心的熱點。
  三
  以上所論以愛因斯坦和玻爾圍繞EPR論證之爭,給我們何種啟示呢?
  其一,它在很大程度上是哲學立場上的爭論。愛因斯坦認為客觀物質世界是因果確定性的,他常說:“相信有一個離開知覺主體而獨立的外在世界,是一切自然科學的基礎[1]292。”玻爾并不特別強調這一點,他認為:“設想物理學的任務在于發現大自然像什么樣的是錯誤的,物理學關心的是我們關于大自然能夠說些什么[5]。”玻爾比較強調的是,在我們承認有一個離開知覺主體而獨立的外在世界之后,我們應該如何描述它?由于他們物理實在觀差別和對立的不可調和性,導致他們學術爭論的不可調和性和持久性。從中我們可以看出,形而上學與物理理論是分不開的,“哲學一經建立并廣泛地被人們接受之后,它們……指示科學如何從許多可能的道路中選擇一條路[6]”,當物理學家在提出自己的見解時背后支撐它的是其所持的形而上學觀。
  其二,任何物理理論兩者都是絕對真理與相對真理的統一,都是人類認識長河中的一朵浪花,即使經過許多實踐檢驗過的理論也不能把它神圣化。1972年,狄拉克在一次以量子力學的發展為主題的會議上曾強調:“我們顯然還沒有建立量子力學的根本規律。目前我們使用的規律,在建立一種相對論性理論之前,還需要作一些重要的修改……其劇烈程度將如同玻爾的軌道理論過渡到目前的量子力學所作的修改那樣[7]。”量子力學過去的成功與現在的輝煌并不意味它是一個完備的理論。對量子力學的解釋更應該持一種開放的態度,哥本哈根解釋顯然不是終極解釋。對于單個微觀粒子衍射的實驗,哥本哈根學派是用“波包收縮”的說法來解釋的,是不能令人滿意。它過度強調了主觀體的可分離性,特別是對客觀實在的否定,有可能導致神秘主義的不可知論,顯然也不恰當。
  第三,物理理論的建構不應只從哲學信念出發,而應立足于實驗的基礎上。愛因斯坦在爭論中反映出他固執地想把量子力學中的規律納入他的哲學信念之下,對幾率詮釋的責難就是基于他的“物理世界統一性”的思想。他認為所有的物理學理論都應該符合因果律,對單個粒子的運動規律的描寫都必須是決定論的,所以他才會對幾率詮釋耿耿于懷,認為是量子力學是不完備的。其實,微觀領域里有其自身的規律,對時空量子化、允許原則上有不可觀察的所謂的虛粒子或可能粒子存在等現象是完全不同于宏觀世界的,這就表明在微觀領域里有其不同于宏觀領域里的特殊性。既然如此,我們為何非要用宏觀世界因果決定論之刀削微觀世界的幾率之足呢?費曼說得好:“科學真正存在所必需的,是在思想上不承認自然界必須滿足像我們的哲學家所主張的那些先入為主的要求[8]。”
  第四,我們認為,盡管愛因斯坦想把量子力學規律納入因果決定論之下作法有些固執,但也不能簡單地把這場爭論的結果看成是玻爾戰勝了愛因斯坦。量子力學前提與相對論前提相一致問題現今并沒有得到很好的解決,他們的爭論仍然被世人繼續著。狄拉克指出“我們有了相對論和量子論,兩個建立的非常完善的理論,每一個在它自己的領域內都是非常可靠的,可是它們彼此之間卻難以相互協調,如果兩個理論都是正確的,那末會想到,它們馬上就應該協調成一個單一的體系,可是相對論和量子力學的情況并非如此,它們之間有一定的抵觸,這個抵觸是最近四十年來物理學的主要問題[9]。”
  總之,科學與哲學是充滿矛盾的統一體,科學真理的發展是一個從相對真理走向絕對真理的辯證過程。從玻-愛圍繞EPR爭論所引出的問題——量子力學與相對論不相容及后人對這一問題所提出的各種解釋都啟發了同時代及后來的科學家、哲學家,激勵他們對以往的概念作深入思考,加深了人類對客觀世界的認識,促進了量子力學的發展。我們堅信,隨著實驗技術的發展,人們對于量子力學的基本解釋的認識將越來越清晰,這場爭論的意義將會得到更為客觀公正地評價。
  [收稿日期]2007-11-20
學術交流哈爾濱9~13B2科學技術哲學陳國慶20082008
玻爾/愛因斯坦/EPR論證
  A/Einstein N/Bohr EPR proof argument
Philosophy Meaning about EPR Proof Argument ExplainsA. Einstein and others, who demonstrated by EPR proof revealed inherent quantum mechanics allow Superluminal exist—which is contradiction with the theory of relativity, as opposed to N. Bohr explanation which is the representative of the Copenhagen School that is quantum mechanics comprehensive. But for several years, after a series of test around Bell's inequality experiments show that microscopic particles do exist Superluminal related phenomena, which leads to the theory of relativity and quantum mechanics incompatible. On the debate on the issue and later inspired a generation of scientists, philosophers, encouraging them to the physical concept of the past for deep thinking, it also reflects the development of science is a relative truth to the absolute truth process.
愛因斯坦等人用EPR論證,揭示量子力學內在地允許超光速現象存在——這和相對論相矛盾,以此反對以玻爾為代表的哥本哈根學派認為量子力學體系是完備的觀點。可若干年后圍繞檢驗貝爾不等式一系列實驗表明,微觀粒子確實存在超光速關聯的現象,這就引出了量子力學和相對論這兩大理論存在不相容這一重大理論問題。圍繞上述問題的爭論,啟發了同時代及后來的科學家、哲學家,激勵他們對以往的物理概念作深入思考,加深了我們對科學的發展是一個不斷相對真理走向絕對真理的辯證過程的認識。
作者:學術交流哈爾濱9~13B2科學技術哲學陳國慶20082008
玻爾/愛因斯坦/EPR論證
  A/Einstein N/Bohr EPR proof argument
2013-09-10 21:25

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