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主题:【原创】唯心的先验的唯物主义 -- 东方射日

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家园 【讨论】谈点个人对于量子力学与隐变量理论的理解

东方兄的这篇文章,我大体上是赞同的。但是有些细节,我觉得还是需要说的更加明确一些。比如下面这一句就不是很妥当。

“好了,如果你了解量子论的,你应该知道EPR实验和延迟实验。前者证伪了实在性和/或定域性,后者证伪了因果率。”

严格的讲,EPR实验没有证伪实在性和/或定域性,延迟实验也没有证伪因果率。

要把这个问题说清楚,隐变量理论是绕不过去的。

爱因斯坦和他的后继者,相信的是,如果这个世界存在一个完美的理论,那么这个理论应该是决定论的。也就是说,给定理论所需要的所有初始条件,系统在将来任何一个时间的状态,都可以被准确的预言。

量子力学不是这样一个理论。虽然波函数的演化可以通过薛定谔方程来决定,但是波函数本身不是物理量。波函数的振幅代表几率,量子力学只能对系统的未来给出几率性的预言。

爱因斯坦等人对这个描述不满。在他们看来,量子力学只能做出几率性的预言,是因为理论中缺少了某些变量。一旦这些变量被补充进去,量子力学就可以升级成一个符合决定论观点的理论。

这些变量是什么?不知道,所以称为隐变量。隐变量是有可能存在的。就像人类对原子核的认识一样,也不过

一百年的历史。

隐变量理论可以解释很多现象。比如用来证明波粒二象性的双缝干涉实验,用隐变量理论也可以说明。只要假定缝和后面的探测仪器之间存在着某种未知的相互作用,更换测量仪器会改变这种相互作用,进而影响粒子穿过缝的方式;那么,不需要假定粒子同时具有波性,一样可以解释干涉条纹的出现和消失。

为了判断量子力学和隐变量理论孰是孰非,物理学界发展了贝尔不等式(还有它的加强版,legget不等式),延迟实验的提出也是这个目的。

爱因斯坦向往中的理论,必须是决定论的,同时,还要是定域的,实在的。三者缺一不可。定域的,意味着发生在某个时空点的事件不能被相距类空间隔的另一个事件所影响,也就是说信息传播的速度不能超过光速;实在的,意味着我们可以把一个系统孤立起来,这个系统的状态只能由系统本身和周围类时间隔内的其他系统来决定。(物理上对“实在”的定义,和一般意思上的实在--与意识无关的存在相比,要加强了许多。所以,即使物理意义上的实在性不成立,也并不意味着存在依赖于意识。量子力学不承认这一点,隐变量理论也不承认这一点)

Aspect的实验首先发现了违反贝尔不等式的实例。所以说明,决定论,定域性,实在性,要想三者兼得是不可能的。于是有人退而求其次,承认信息传递的速度可能超过光速,提出了非定域的,实在的隐变量理论。但是去年Zeilinger做了另一个实验,实验结果证明,至少有一部分这样的理论是不正确的。这个结果暗示了,如果还想坚持决定论的隐变量理论,可能要放弃实在论。但是,仅仅是可能。所以,决定论,定域性,实在性,哪一个都没有被证伪。放弃决定论,你可以选择量子力学;坚持决定论,你还可以在定域性和实在性之间挑一个。这一切,只是个人选择问题。

Aspect去年也做了一个实验,就是那个延迟实验的实验室版本。这个实验也是冲着隐变量理论的去的。前面提到,隐变量理论一样可以解释双缝干涉实验。只要假定粒子穿过哪一个缝由某一个未知的变量决定,而这个变量和测量方法有关。用拟人的方法来说,这就好像通过这个变量,粒子就提前知道了前面有什么样的命运在等待着它,于是它也让自己的行为符合命运的期待。

这样的解释当然让量子力学的拥护者不满。于是有人就提出,我们可以在粒子穿过缝“之后”再来决定采用那一种测量方法。好了,问题来了,“之后”到底怎么定义,在哪个坐标系里?根据相对论,不同事件在不同坐标系里发生的顺序可以是不相同的。

仔细再研究一下延迟实验,就会发现“延迟”这两个字实在是误导。重点不在于粒子穿过狭缝和改变测量方法这两个事件发生的前后,而在于保证这两个事件之间不能互相影响。于是实验上的安排,就是把这两个事件之间的间隔做成了类空间隔。实验结果依然证明干涉条纹的出现与否与测量方法有关。而隐变量理论(定域的,实在的)则不能解释这个结果,因为即便这个隐变量存在,它也不可能随着测量方法的改变而发生变化。

但是,这个实验并没有否认因果率。正因为粒子穿过狭缝和改变测量方法这两个事件之间的间隔是类空间隔。一旦选择一个合适的坐标系,两个事件发生的前后顺序可以颠倒。只要承认信息传播的速度可以超过光速,因果率依然可以保留。

总之,量子力学和隐变量理论的对错并没有定论。同时两者都给人类的想象力留下了足够的空间。但是,归上帝的归上帝,归科学的归科学,拿科学来证明上帝的存在,则是完全没有必要的事情。


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