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　　［中图分类号］N02　［文献标志码］A　［文章编号］1000－8284（2008）04－0009－05
　　量子力学在上个世纪20年代就形成了形式系统，然而围绕它的解释长期聚讼纷纷。在此以EPR论证为个案，谈谈这些争论的哲学意义。
　　一
　　在量子力学众多解释体系中，占据统治地位的是以玻尔为代表的哥本哈根学派。哥本哈根解释可简单地概括为：第一，还不曾被测量的量子系统处于一个真正不确定的状态，说它处于一个特殊的未知状态是没有意义的，并可能实际地导致矛盾。第二，测量的作用迫使系统采取被允许的可能状态之一，其概率能够由系统对应的波函数及其测量计算而得出；第三，量子力学的形式体系已不再是自然界本身的描述，而只是人们关于自然界知识的描述。“几率”、“互补”和“不确定”是他们解释核心。
　　这种解释与长期以来人们心中：客观世界独立存在、服从决定性因果描述的本体的信念相冲突，遭到以爱因斯坦为代表的、坚持科学实在论的一些人的反对。爱因斯坦坚信：“可爱的上帝不是在掷骰子”，实体是独立自在的，微观粒子也是离开主体而独立自存的，科学认识能够精确的一一摹写微观粒子本真的存在状态。对哥本哈根的解释，爱因斯坦指出：“这种论证中我所不喜欢的，是那种基本实证主义态度，这种态度从我的观点看来是站不住脚的，我以为它会变成同贝克莱的原理‘存在就是被知觉’一样的东西[1]。”
　　为此，1935年，爱因斯坦（A. Einstein）和他的学生波多尔斯基（B. Podolsky）和罗森（N. Rosen）三人（合称EPR）在《物理评论》（Physical Rview）上发表《量子力学对物理世界的描述是完备的吗？》（Can Quantum－Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete？）一文（后被称为EPR悖论）即EPR论证，详细阐明他们量子力学不完备的看法：
　　论证的出发点是①②两条判据和论证暗含的③④两条假设：
　　①科学理论完备性判据（理论完备的必要条件）：“不管给完备这个名词以怎样的意义，对于下面的要求看来总是必要的：物理实在的每一元素都必须在这物理理论中有它的对应我们把这叫做完备性的条件。”这只是完备性必要条件，不是充分条件。
　　②实在性判据（实在要素的充分条件）：“要是对于一个体系没有任何干扰，我们能够确定地预测（即几率等于1）一个物理量的值，那么对应于这一物理量，必定存在着一个物理实在的元素。”要求物理实在的要素，只能借助于实验与测量得到，不能由先验的哲学来确定。
　　③定域性假设（即系统可分隔性原理）：在两个曾发生过相互作用，但从某一时刻起已不再发生相互作用的体系中，“无论对第一个系统作什么事，都不会使第二个系统发生任何实在的变化”。
　　④有效性假设：量子力学的统计预言，至少在量子力学的范围内，是被经验所证实了的。
　　在上述基础上，爱因斯坦等指出：“在量子力学中，通常由此所得出的结论是：当粒子的动量是已知时，它的坐标就不具有物理实在性。更一般地说，在量子力学中得到证明的是：如果对应于两个物理量（比如说A和B）的算符是不可对易的，也就是说，如果AB≠BA，那么，要得到一个物理量的准确知识，就会排除另一个物理量的这样的准确知识。而且，任何一种想在实验上测定后者的企图，都将改变体系的状态，使得前者的知识受到破坏。由此可见，要末i由波函数所提供的关于实在的量子力学的描述是不完备的；要末ii当对应于两个物理量的算符不可对易时，这两个物理量就不能同时是实在的[1]328－335。”
　　现在目标已经明确。爱因斯坦认为，只要证明了两个不对易的物理量是能同时是实在的，就可以一举击败玻尔。为此，爱因斯坦使出了其拿手好戏，设计了思想实验：
　　
　　
　　面对以爱因斯坦为代表的反对派对哥本哈根学派解释的责难，玻尔则在哥本哈根学派解释框架内回应：
　　玻尔指出：“实际上，由于作用量子的存在所规定的客体与测量仪器之间的相互作用，导致了最终放弃因果性这一经典概念，并大大修正我们对待物理实在问题的态度的必要性——因为如果测量仪器要适应于它们的目的，那么客体对它们的反作用就是无法避免的。事实上，我们即将看到，当用于我们在此论及的实际问题时，上述作者所提出的那一类关于实在的判据——无论其陈述显得多么严谨——包含着一种本质上的含糊性[2]。”
　　在玻尔的解释语境中，我们可以看出：在量子力学中，要谈“存在”，就不要忘记测量，“存在就是被测量”吗！由于作用量子的存在，测量就不能违背不确定关系，因此，“对一个体系没有任何干扰”是站不住脚的。
　　接着玻尔进一步指出：“表面的矛盾其实只表明了习见的自然哲学观点在本质上不适用于合理地解释我们在量子力学中所涉及的现象”。“按照我们的观点”（即互补性观点），“在自己的领域内，……，量子力学显然是一种完备合理的描述[2]。”
　　玻尔在此运用了哥本哈根学派解释的哲学思想——“互补原理”，以反驳爱因斯坦责难中的“二择一”的观点：在你那里是对立的观点，我这里是“互补”；你那种：要末、要末，二择一的观点，在我这里是行不通的！
　　针对爱因斯坦的绝招——思想实验，玻尔领教过它的厉害，这次玻尔自然不敢怠慢。但作为哥本哈根主帅的玻尔，毕竟技艺精湛，一出手就化解了它的凌厉攻势。玻尔反驳大意为：
　　
　　这一场战斗又以玻尔占上风暂告结束，但爱因斯坦心中不服！
　　二
　　花开花落，经过长达14年的深思熟虑，爱因斯坦意识到，前三次总是在哥本哈根的“一亩三分地”（哥本哈根解释框架）里过招，自己岂能不吃亏？何不把玻尔“诱”到“自家的院内”？于是爱因斯坦撰写了《对批评的回答》一文，文中指出：
　　“现在就爱因斯坦—波多尔斯基—罗森佯谬的讨论讲一点意见。……在我知道其观点‘正统的’量子理论家中间，我以为尼耳斯·玻尔对这个问题的观点最近乎公正，翻译成我自己的表述方式，他论证如下：如果两个子系统A和B形成一个总体系，这个总体系是由它的Ψ函数Ψ（AB）来描述的，那就没有理由说，分别加以考查的子系统A和B是什么互不相干的独立存在（实在的状态），即使这两个子系统在被考查的特定时间在空间上是彼此分隔开的也不行。因此，认为在后一种情况下，B的实在状况不会受到任何对A进行量度的（直接）影响，这种论断在量子理论的框架里是没有根据的，而且（正如这个佯谬所表明的）是不能接受在用这种方法研究问题时，显然，这个佯谬在迫使我们放弃下述两个论断之一：
　　①用Ψ函数所作的描述是完备的；
　　②在空间上分隔开的客体的实在状态是彼此独立的[1]328。”
　　久谋深算的爱因斯坦将争论的焦点重塑，把完备性问题变成定域性问题，此举堪称为高明之举！因为在宏观领域内建立起来的物理学研究传统，非定域性概念是不为绝大多数人接受。在相对论如日中天的时代，你量子力学允许超光速？！
　　爱因斯坦这一战略举动，击中了问题的要害。不少物理学家行动起来，想方设法排除量子力学中的非定域性。玻姆为此提出，有必要引入一些附加变量——隐变量，来探索对非定域性行为的明确说明。为此玻姆重塑EPR思想实验（EPR思想实验涉及的是连续的力学量，玻姆的思想实验涉及的是分立的自旋力学量，这一改进使得既便于数学处理又便于实验检验）。贝尔在玻姆工作基础上，得出所有的定域隐变量理论都隐含着一种定域性假设。贝尔在局域隐变量理论的基础上，讨论了两个自旋为1／2的粒子所组成的自旋单态系统，推导出一个不等式——贝尔不等式（贝尔不等式先后有两个版本，前者假设探测器是理想的，不漏掉任何粒子；后者比较现实，承认粒子有可能丢失，只有后一版本才能与实验比较，这里给出的是第二版本）：
　　
　　因此，我们可以看出：量子力学和局域隐变量理论对实验的结果预期明显不同。
　　贝尔不等式正确，意味着两粒子关联是局域性的（非超光速）；如果按量子力学推导出来的式子正确，那就意味着两粒子关联是非局域性（超光速）。谁是谁非期待实践检验。
　　1982年，以阿莱恩·阿斯佩克特为组长的法国奥赛理论与应用光学研究所里的一群科学家第一次在精确的意义上对EPR作出检验。实验结果和量子论的预言完全符合，而相对局域隐变量理论的预测却偏离了5个标准方差。尔后，许多物理学家都重复阿斯派克特的实验，并且运用更新的手段，使实验模型越来越靠近爱因斯坦当年那个最原始的EPR设想。1998年，奥地利因斯布鲁克大学的科学家们让光子飞出相距400米，其结果偏离了局域隐变量理论预测30个标准方差。2003年，Pittman和Franson报道了产生于两个独立源的光子对于贝尔不等式的违反，等等。贝尔不等式的突破，意味着超光速传递信息可能存在，这样相对论的前提就可能有问题了。
　　爱因斯坦深谋远虑的这一招，其结果非但没有证明量子力学不完备，反倒让自家的相对论备受质疑！引出了被誉为是20世纪物理学史上重大突破性进展的量子力学与狭义相对论之间竟然存在不一致这一问题。这可是物理界大是大非之事！毕竟量子力学与狭义相对论都是现代物理学的两大支柱，倒了哪一根，物理学大厦都要蹋。为了使量子力学与相对论性协调一致，专家们纷纷披挂上阵。
　　A·法因解释到：贝尔语境中的定域性是指测量和观察；爱因斯坦语境中的定域是指“系统的一个真正的物理态”。这些态决定真正的物理量，而这些物理量不同于量子力学中的变量。因此，用不着为测量量子力学的变量时出现的非定域的行为而烦心。相对论没问题[4]。
　　玻姆虽然承认非定域的存在，他把非定域性看成量子势的性质。量子场由满足薛定谔方程的波函数来描述，并通过量子势作用于运动的粒子。在EPR实验中，量子势使在空间中相互分离的两个粒子之间表现出一定的关联。由此避开了把承认非定域性理解成超光速所造成的麻烦。
　　埃弗雷特的多世界和多心解释也得到不少人认可。他从纯粹的波动力学出发，把波函数的所有叠加态看成是不同世界或不同的心灵感应，一个观察者对相互关联的系统之一的观察，不会对另一个距离的系统产生任何影响。因此，两个系统之间不存在相互作用，不存在信号的超光速传播问题。
　　除了上述观点外，还有统计系统主张：Ψ函数是对统计系统的描述，而不是对单个体系的描述，由此，把与非定域相关的自旋关联理解成是系统的属性，而不是单个粒子的属性一。因而EPR实验中两粒子关联只是一种统计关联，并不是非定域性关联；还有的人提出，量子力学是在运动学意义是非定域的，而相对论要求的是动力学意义的定域性。动力学的定域性意味着，只有在运动的光锥内，“这里”的态不影响“那里”的态；而一个量子态表述的是在测量时各种可能性叠加，是相互纠缠，量子态既在这里也在那里，它的变化是一种整体的变化，因此，量子非定域性并不意味着必然有超光速的信息传递。
　　这些不同的解释，共同之处就是阐明不能以经典物理学的思维方式理解量子力学，量子力学与相对论不矛盾。相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，对于我们这个世界的构造和其运行规律，两种理论分别建立起一套完整的理论体系，但两论一元化问题一直是人们关心的热点。
　　三
　　以上所论以爱因斯坦和玻尔围绕EPR论证之争，给我们何种启示呢？
　　其一，它在很大程度上是哲学立场上的争论。爱因斯坦认为客观物质世界是因果确定性的，他常说：“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界，是一切自然科学的基础[1]292。”玻尔并不特别强调这一点，他认为：“设想物理学的任务在于发现大自然像什么样的是错误的，物理学关心的是我们关于大自然能够说些什么[5]。”玻尔比较强调的是，在我们承认有一个离开知觉主体而独立的外在世界之后，我们应该如何描述它？由于他们物理实在观差别和对立的不可调和性，导致他们学术争论的不可调和性和持久性。从中我们可以看出，形而上学与物理理论是分不开的，“哲学一经建立并广泛地被人们接受之后，它们……指示科学如何从许多可能的道路中选择一条路[6]”，当物理学家在提出自己的见解时背后支撑它的是其所持的形而上学观。
　　其二，任何物理理论两者都是绝对真理与相对真理的统一，都是人类认识长河中的一朵浪花，即使经过许多实践检验过的理论也不能把它神圣化。1972年，狄拉克在一次以量子力学的发展为主题的会议上曾强调：“我们显然还没有建立量子力学的根本规律。目前我们使用的规律，在建立一种相对论性理论之前，还需要作一些重要的修改……其剧烈程度将如同玻尔的轨道理论过渡到目前的量子力学所作的修改那样[7]。”量子力学过去的成功与现在的辉煌并不意味它是一个完备的理论。对量子力学的解释更应该持一种开放的态度，哥本哈根解释显然不是终极解释。对于单个微观粒子衍射的实验，哥本哈根学派是用“波包收缩”的说法来解释的，是不能令人满意。它过度强调了主观体的可分离性，特别是对客观实在的否定，有可能导致神秘主义的不可知论，显然也不恰当。
　　第三，物理理论的建构不应只从哲学信念出发，而应立足于实验的基础上。爱因斯坦在争论中反映出他固执地想把量子力学中的规律纳入他的哲学信念之下，对几率诠释的责难就是基于他的“物理世界统一性”的思想。他认为所有的物理学理论都应该符合因果律，对单个粒子的运动规律的描写都必须是决定论的，所以他才会对几率诠释耿耿于怀，认为是量子力学是不完备的。其实，微观领域里有其自身的规律，对时空量子化、允许原则上有不可观察的所谓的虚粒子或可能粒子存在等现象是完全不同于宏观世界的，这就表明在微观领域里有其不同于宏观领域里的特殊性。既然如此，我们为何非要用宏观世界因果决定论之刀削微观世界的几率之足呢？费曼说得好：“科学真正存在所必需的，是在思想上不承认自然界必须满足像我们的哲学家所主张的那些先入为主的要求[8]。”
　　第四，我们认为，尽管爱因斯坦想把量子力学规律纳入因果决定论之下作法有些固执，但也不能简单地把这场争论的结果看成是玻尔战胜了爱因斯坦。量子力学前提与相对论前提相一致问题现今并没有得到很好的解决，他们的争论仍然被世人继续着。狄拉克指出“我们有了相对论和量子论，两个建立的非常完善的理论，每一个在它自己的领域内都是非常可靠的，可是它们彼此之间却难以相互协调，如果两个理论都是正确的，那末会想到，它们马上就应该协调成一个单一的体系，可是相对论和量子力学的情况并非如此，它们之间有一定的抵触，这个抵触是最近四十年来物理学的主要问题[9]。”
　　总之，科学与哲学是充满矛盾的统一体，科学真理的发展是一个从相对真理走向绝对真理的辩证过程。从玻－爱围绕EPR争论所引出的问题——量子力学与相对论不相容及后人对这一问题所提出的各种解释都启发了同时代及后来的科学家、哲学家，激励他们对以往的概念作深入思考，加深了人类对客观世界的认识，促进了量子力学的发展。我们坚信，随着实验技术的发展，人们对于量子力学的基本解释的认识将越来越清晰，这场争论的意义将会得到更为客观公正地评价。
　　［收稿日期］2007－11－20
学术交流哈尔滨9～13B2科学技术哲学陈国庆20082008
玻尔/爱因斯坦/EPR论证
　　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.
爱因斯坦等人用EPR论证，揭示量子力学内在地允许超光速现象存在——这和相对论相矛盾，以此反对以玻尔为代表的哥本哈根学派认为量子力学体系是完备的观点。可若干年后围绕检验贝尔不等式一系列实验表明，微观粒子确实存在超光速关联的现象，这就引出了量子力学和相对论这两大理论存在不相容这一重大理论问题。围绕上述问题的争论，启发了同时代及后来的科学家、哲学家，激励他们对以往的物理概念作深入思考，加深了我们对科学的发展是一个不断相对真理走向绝对真理的辩证过程的认识。
作者：学术交流哈尔滨9～13B2科学技术哲学陈国庆20082008
玻尔/爱因斯坦/EPR论证
　　A/Einstein N/Bohr EPR proof argument

网载 2013-09-10 21:25:30

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