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為什麼量子力學是描述粒子非連續運動的理論？
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為什麼量子力學是描述粒子非連續運動的理論？
已有1602 次閱讀2010-10-11 08:28 |個人分類:量子物理|系統分類:科研筆記|關鍵詞:量子力學，非連續運動
本文主要內容源自《量子運動與超光速通信》（2000），是自己10年前的思想紀錄。常感嘆歲月如梭，轉眼已到不惑之年。也許，唯有深邃的思想才能穿越千古，成為永恆。
下面我將試圖從歷史與邏輯的觀點論證量子力學正是描述粒子非連續運動規律的一種理論，儘管它並不完備。
從歷史的觀點來看，量子力學的非連續運動解釋繼承了自量子力學理論建立以來所積累的諸多科學觀念的精華。第一個基本而重要的科學觀念是客觀實在性觀念，根據這一觀念，人們一直堅信隱藏在神秘的量子波函數背後的微觀物理實在的存在，並試圖去發現它。堅持這一客觀實在性觀念的著名人物包括Einstein，Schrodinger，De Broglie和其後的追隨者Bohm、Bell等人，他們強烈反對具有實證論傾向的正統量子力學解釋，並試圖給出量子現象背後物質運動的實在圖像。
Einstein一生都堅信客觀實在性觀念。他認為，“在我們之外有一個巨大的世界，它離開我們人類而獨立存在”，而“當今則過分地受到一種主觀主義和實證論的統治，對於把自然界看成是客觀實在的觀點，現在人們認為這是一種過時了的偏見，而認為量子理論家們的觀點是天經地義的”。 Einstein對量子力學的看法是，“量子力學固然是堂皇的，可是有一種內在的聲音告訴我，它還不是那真實的東西”，“不能相信：我們必須實際地並且永遠地放棄那種在空間和時間裡直接表示物理實在的想法”。此外，Einstein還利用EPR悖論來論證量子力學是不完備的，而只是對物理實在的一種統計性描述，他將這一看法形像地表述為“上帝不擲骰子”。然而，Einstein更多地將自己的論證依賴於他關於宏觀經典世界的經驗和信念，尤其是定域性觀念，因此他所堅持的是一種經典實在觀念，在今天看來是不適當的，但是Einstein對於客觀實在性觀念的堅定信念卻一直在鼓舞後人去發現量子現象背後所隱藏的微觀物理實在。
Schrodinger是堅持客觀實在性觀念的量子力學的創立者之一，他一直不同意具有實證論傾向的哥本哈根詮釋。在給Bohr的信中Schrodinger說，“即使一百次嘗試都已失敗，也不應該放棄到達目標的希望，我不是說通過經典圖景，而是說通過關於空間時間事件之真實本性的一些邏輯自恰的觀念來達到目標，這很有希望是可能的”。實際上，Schrodinger在提出他的著名的波動方程後即給出了一種量子實在的場圖像，儘管這一實在圖像未能一致地解釋量子力學的所有現象，但是Schrodinger並沒有放棄實現上述目標的努力，他最終以Schrodinger貓這一著名佯謬表達了自己對量子力學解釋現狀的不滿。 Schrodinger貓佯謬為後人將波函數坍縮過程解釋為一種客觀實在過程提供了最有力的支持，同時，這一佯謬將經典實在與量子實在從本質上聯結起來，為量子實在的最終發現奠定了基礎。
de Broglie是量子理論的奠基人之一，他最早提出了波粒二象性的概念，為量子力學波動理論的建立提供了觀念基礎。 de Broglie在1927年的索爾維會議上提出了他的量子實在圖像---雙解理論，雖然受到Pauli等人的反對而最終放棄，但卻給後來Bohm的隱變量理論提供了啟示。同時，受到Bohm理論的鼓舞，de Broglie於五十年代又重新發展了他的理論。
Bohm於1953年提出了量子力學的第一個一致性的客觀解釋---隱變量解釋。儘管這一解釋本身存在許多問題，但它的確給堅持實在性觀念的人們以更加堅定的信心，並證明這種信心是有道理的。 Bohm的隱變量理論顯示了量子現象背後的物理實在圖像是可以存在的。
Bell是日內瓦歐洲核子研究中心（CERN）的一位理論物理學家，他對發展客觀實在性觀念的巨大貢獻在於他所提出的Bell定理。這一定理清晰地顯示了量子現象背後的物理實在將不再是Einstein所相信的經典的定域性實在，而必須是一種新的非定域的物理實在。同時，也許是更重要的，Bell定理還提供了通過實驗檢驗這一觀念的可行性。因此，Bell定理應當被看做是人們對微觀量子實在認識上的一次飛躍，它告訴我們量子實在必定是非定域的。
近年來，量子宇宙和保護性測量等新理論的出現更加增強了人們去尋找量子實在的信心。在某種程度上，Aharonov等人提出的保護性測量不僅從理論上暗示了量子現象背後某種新的物質運動的存在性，而且從實驗上提供了測知它存在的可能性。所有這些令人振奮的進展都已顯示，量子現象背後神秘的物理實在離我們越來越近了。
從邏輯的觀點來看，人們採取客觀實在性的觀念有諸多合理的理由。正如堅持量子力學多世界解釋的Deutsch所認為的那樣，第一個理由是，如果我們能有一種包含客觀實在的理論，那麼它便具有哲學上的優越性，因此，在丟棄實在性概念之前，至少應該試圖去找到這種理論；其次是，從科學的觀點，尤其是物理學的觀點來看，向一個理論的操作論解釋的轉變，就不可能獲得下一個理論，因為後繼的理論將是從我們現存理論的本體論向前邁進的一步，情況只能是，後來理論的本體論將更加奇特，更難以想像。而一旦擯棄了實在觀念，我們就無法借助它來構造自然的概念模型，也無法進一步改變這一模型而發現新的理論。
Einstein對此有更深刻的見解。他認為，實在性觀念同我們所應用的其它概念和概念體系一樣，都是人的自由創造，它們的價值在於它們能把經驗“有效地”按順序排列起來，它們的正確性在於它們能夠說明經驗，沒有先驗的理由可以假定這些概念在思維上是必要的，或者要禁止使用這些概念，起決定作用的是驗證。而實在性觀念在量子力學出現之前在物理思維的發展中一直無條件地起著決定性的作用，它告述我們一切都必須追溯到從空間—時間範圍內來設想的客體，追溯到應適合於這些客體的規律性關係，因此我們有理由相信這一觀念在量子力學中同樣有效。另一方面，與之相對立的實證論的立場則認為“實在的”僅僅是單個的觀察結果，而不是那些同觀察行為無關的在空間和時間中客觀地存在著的東西。然而，這種純粹的實證論的立場，（要是一直推論下去的話）無論如何都帶有一個致命的弱點，即它將導致把一切用語言表達出來的命題都說成毫無意義，而最後剩下來的“實在的”東西，就只能是沒有任何一點可用來對它們做出陳述的“我”的經驗而已，因為這些陳述中所應用的概念，在純粹的實證論的分析中都毫無例外地被證明是一點意義也沒有的。
第二個重要的科學觀念是粒子觀念，它最早出現於Born的被廣泛接受的關於量子力學的最小機率解釋中，並為其後的諸多解釋所採納，如Bohm的經典隱變量理論等。根據這一粒子觀念，量子力學所描述的最終物理實在應當具有粒子的特性，即它於任一時刻只處於空間中的一個位置上，並且質量和電荷等物理性質都屬於這個粒子。
從邏輯的觀點來看，量子力學中波函數的線性疊加定律已強烈暗示，如果波函數所描述的是一種客觀的物理實在，那麼它更應當是粒子，而不是場。因為場同時存在於整個空間中，它的不同空間分支之間一般存在著不可避免的相互作用，從而將導致描述場的波函數的線性疊加定律的失效；而對於粒子，它於任一時刻只存在於空間中的一個位置上，從而處於不同空間分支或不同時刻的同一粒子之間不會產生任何相互作用，於是描述粒子的波函數可以自然地滿足量子力學的線性疊加定律。其次，這一粒子觀念的更大優勢在於，它不僅可以描述非相對論量子力學中的粒子圖像，而且與相對論結合後也可以描述量子場論中的“場”圖像。
最後，為了統一粒子與場這兩種似乎完全不同的物理實在圖像，人們一直在尋找它們之間可能的物理聯結。現在，粒子運動的存在正好提供了這一聯結，一方面，進行運動的物質客體首先是一個粒子，它於任意時刻只處於空間中的一個位置上。由於這一粒子特性，粒子的運動從根本上為波函數的客觀坍縮過程提供了存在的基礎，從而為波函數的外部粒子表現提供了說明，即實驗上對波函數的測量總產生確定性的測量結果，例如照相底片上由單個粒子所產生的一個黑點，而不是多個黑點。另一方面，運動的粒子在很短，甚至是無窮小的時間間隙內將以一定的位置測度密度遍及整個空間，這正是粒子運動的類場特性。由於這種類場特性粒子運動的正常演化方程將是一種波動方程，如Schrodinger方程，從而它將可以產生粒子的雙縫干涉圖樣，同時，它也為單次實驗結果的本質隨機性提供了真實的物理起源。
第三個重要的科學思想是人們在量子力學中放棄了經典連續運動的觀念，即量子現象背後的物理實在圖像，如果存在，將不再是我們熟悉的粒子經典連續運動的圖像。這一思想最初是從Heisenberg的不確定性關係中引出的，根據這一關係，本質上我們無法同時精確測定微觀粒子的位置與動量，而經典連續運動允許粒子的位置和動量可以被同時精確地測量。此後，人們通過對雙縫實驗的分析中也得出結論，即微觀粒子不能只通過其中的一個縫而形成量子力學所預言的雙縫干涉圖樣，它必定以某種方式“同時”通過了兩條縫。最近，在人們用於實現Schrodinger貓態的原子實驗中，一些物理學家形像地將處於Schrodinger貓態的原子描述為“'同時'處於兩個不同的空間位置上”。
實際上，根據客觀實在性觀念，放棄經典連續運動並不意味著完全放棄對量子現象背後真實的物理實在的尋求，相反，它正為不同於（宏觀世界中所表現出來的）經典連續運動的更基本的粒子運動形式敞開了大門。進一步地，人們的模糊描述“粒子'同時'處於空間中的兩個位置上”的確觸及到了這種粒子運動的某些本性，並且表明了人們已依晰瞥見微觀量子實在的倩影，它肯定是一種完全不同於經典連續運動的新的基本運動形式。
我們知道，自從科學誕生以來，人們一直在研究宏觀世界中所表現出來的物體的經典連續運動，並先入地將其做為自然界中唯一可以存在的運動形式。現在，通過對上述科學觀念的歷史與邏輯分析我們發現，客觀實在性觀念、粒子觀念和經典連續運動的放棄這三個觀念和思想的結合將自然導致非連續的粒子運動的存在，並且正如前面嚴格的數學分析所顯示的，這種非連續的粒子運動是最基本的粒子運動形式，而經典連續運動只是這種基本運動在宏觀世界中的表現而已。
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