谭天荣:关于定域性原理的另一判决性实验

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  内容提要:法国物理学家G.洛查克导致 分析指出:贝尔不等式来自经典概率论,后来 ,上世纪关于贝尔不等式的实验,只不过再一次显示量子力学概率不同于经典概率,与定域性原理无关。本文提出有一另另4个多判定量子力学中的“远程相互作用”观念与相对论的“定域性原理”孰是孰非的新实验。

  考虑有一另另4个多连续地发射成对电子的电子源,让每一对电子都精确地朝相反的方向运行,从而形成相向运动的有一另另4个多电子束。现在,让这两束电子人个 经历有一另另4个多双缝衍射过程,使得其中的一束的电子通过某一根缝当且仅当其配偶通过对应的缝,让右边的双缝一起去打开而左边的双缝轮流打开,则从左边的双缝衍射实验我门能间接地知道右边的每有一另另4个多电子经过的是哪一根缝。按照定域性原理,右边的双缝衍射实验的干涉条纹不会消失,而按照量子力学,则会消失。

  我预言你你这人 实验将取得有有助于于定域性原理的结果。

  关键词:贝尔不等式;经典概率论;定域性原理;G.洛查克;双缝衍射过程

  1.引言

  我门知道,量子力学中的“远程相互作用”观念与相对论的“定域性原理”相矛盾,而上世纪爱因斯坦与玻尔关于“EPR关联”的一场“世纪之争”正是围绕你你这人 矛盾展开的。到了50年代,贝尔用他提出的“贝尔不等式”表现“定域性原理”,并证明你你这人 不等式与量子力学的“自旋相关公式”不到一起去成立,从而提出有一另另4个多判决性实验,将这场“世纪之争”孰是孰非诉诸实验。实验的结果是量子力学的“自旋相关公式”成立而“贝尔不等式”不成立。着实我门对于你你这人 实验结果是算是表明“定域性原理”不适用于微观世界的意见还有分歧,但总的趋势是我门相信在这场“世纪之争”中,坚持量子力学的玻尔战胜了坚持定域性原理的爱因斯坦。

  上世纪70年代,法国物理学家G. 洛查克[1,2]证明,“贝尔不等式”着实只不过是经典概率论的有一另另4个多结论,与“定域性原理”无关。着实你你这人 结论并未受到应有的重视,但它实际上导致 分析证明,当年关于“贝尔不等式”的实验并不到判定关于“世纪之争”谁胜谁负的问題。

  本文提出另一关于“EPR关联”的“世纪之争”的判决性实验。

  2.量子退相干

  美国著名的物理学家费曼断言:“双缝衍射实验包括了量子力学中的唯一的奥秘。”而双缝衍射实验令人困惑之居于于,实验不到出先我门期望的结果:

  A.双缝一起去打开时的衍射图形,是双缝轮流打开时的有一另另4个多衍射图形的迭加。

  为了说明命题A不成立你你这人 出人意外的实验事实,我门提出了“量子退相干”的理论。关于你你这人 理论,费曼在《费曼物理学讲义III》一书中原本构思了如下理想实验:导致 分析在电子的双缝衍射实验中加进有一另另4个多光源,放置在第一块隔板的后边的两条窄缝之间,使我门“看得见”每有一另另4个多通过电子到底通过的是一根缝还是第二条缝,则屏上的衍射图形就失去干涉条纹。导致 分析移去光源,则又会重新出先干涉条纹。一般地说,所谓“量子退相干”所以指导致 分析“观测”而导致 的相干性消失的问題。

  “量子退相干”原是为了说明命题A不成立而提出的两种生活“假说”,但哥本哈根学派的大师们立刻兴趣盎然地把它作为两种生活“效应”来解释。

  波尔的“互补原理”对“量子退相干”作了如下解释:微观物体的运动具有粒子与波的双重属性,但在同一实验中二者是相互排斥的。在电子的双缝衍射实验中,测量粒子通过哪一根缝强调了电子的粒子属性,与粒子性互补的波动性便被排除了,从而导致 干涉条纹的消失。

  海森堡则用他的“测不准关系”对“量子退相干”作了如下解释:根据测不准关系,准确知道某一电子垂直于路径方向的位置,导致 分析不到准确知道该电子垂直于路径方向的动量,从而造成屏上干涉条纹的消失。

  根据海森堡的上述观点,费曼把测不准关系表成:

  B.不导致 分析设计出两种生活仪器,它能在双缝衍射实验中选用电子到底是经过哪一根缝,而一起去又不扰动干涉图案。

  费曼还说:“测不准原理以你你这人 法律办法‘保护’着量子力学,……量子力学就以原本的冒险而又准确的法律办法继续居于着”。

  不到,“量子测量”是怎样导致 “退相干效应”的呢?量子物理学家们对你你这人 问題的有分歧,我门的解释可大致分成两种生活类型。

  在《量子力学的数学基础》一书中,冯·诺伊曼提出了或许是最早的测量理论,其所含有一另另4个多命题

  C.观察者在测量终结时看得人仪器指针的读数,是导致 被测量的对象未必选用具体情况过渡到选用具体情况的决定性因素。后来 ,导致 分析不提到人类意识,就不导致 分析表述有一另另4个多完备的、前后一贯的量子力学的“测量理论”。

  按照你你这人 命题,“主观的介入”乃是量子退相干的根本导致 ,换句话说,量子相干性消失,归根结底是导致 分析“人眼的一瞥”。

  德国物理学家吉·路德维希则持的相反的观点,他拒绝“感觉”、“知识”和“意识”等用语出先在物理学中,后来 把宏观仪器看成有一另另4个多居于热力学亚稳态的宏观系统,把测量理解为宏观仪器受到微观系统的扰动向热力学稳态演化。后来 ,测量不再是“客体与主体之间的有一另另4个多不可分的链环”,所以有一另另4个多“微观系统与有一另另4个多宏观系统之间的有一另另4个多不可分的链环”。

  意大利物理学家丹内里、朗格和普洛斯佩里在路德维希的工作的基础上建立了两种生活精致的测量理论,简称为D-L-P理论。按照你你这人 理论,测量未必导致 量子态相干性的消失,是被观测的微观系统自身经历的有一另另4个多具有“各态历经”行态的过程,未必也能 “人眼的一瞥”。

  在路德维希的工作的基础上建立另两种生活的测量理论是“退相干理论”,它把测量过程中量子态相干性的消失理解为导致 分析“量子纠缠”而导致 的有一另另4个多动力学过程,即使观察者沒有场也照样居于,其中仪器只不过起着“记录”的作用。

  不到,也能用实验来判定上述各种观点孰是孰非呢?

  让我门回到费曼的关于“观察电子”导致 干涉条纹消失的理想实验。在你你这人 实验中,我门满也能只放置上光源却不观察电子,导致 分析实验的结果仍然出先干涉条纹,则测量过程要求“主观的介入”,导致 分析不再出先干涉条纹,则测量过程未必求“主观的介入”。这是有一另另4个多理想的判决性实验。

  费曼另一方不到对你你这人 问題给出确切的回答。他一方面说:“我说这是导致 分析点上光源而把事情搞乱了?……我门知道,光的电场作用在电荷上不会对电荷施加有一另另4个多作用力。所以我说我门应当预期运动要居于改变。不管怎样,光对电子有很大的影响。在试图跟踪电子时,我门改变了它的运动。也所以说,光对电子的反冲足以改变其运动,……这所以为那些我门不再看得人波状干涉效应的导致 。”按照你你这人 作用机制,若果点上光源,不论我门观察不观察电子,干涉条纹不会消失。可另一方面,费曼又说:“我门我门观察电子时,它们在屏上的分布不到干涉条纹;我门我门不观察电子时,它们在屏上的分布有干涉条纹。”照不到说,即使点上光源,若果我门不观察电子,干涉条纹就不会消失。

  尽管不到,费曼的自相矛盾的回答未必妨碍我门借有助于费曼的理想实验来判断路德维希的观点与冯·诺伊曼的观点孰是孰非,真正的困难在于如下事实:电子太小,我门不到在光的照耀下跟踪它。后来 ,还须作一点技术上的改进,费曼的你你这人 理想实验也能实现。在这里,我提出有一另另4个多建议。

  3.有一另另4个多新的判决性实验

  考虑有一另另4个多连续地发射成对电子的电子源,让每一对电子都精确地朝相反的方向运行,从而形成相向运动的有一另另4个多电子束R与R’。现在,让R中的电子通过有一另另4个多开有双缝的隔板L,落在某一也能探测电子位置的屏上。一起去,又让R’中的电子飞向有一另另4个多与L极对称的另一隔板L’。你你这人 隔板不到一根缝S,后来 当且仅当某一电子e越过L的一根缝时,它在R’中的配偶e’会越过缝S。原本,从e’是算是越过缝S我门就间接地知道e通过的是L的哪一根缝。下面,我门把你你这人 实验记作T。

  对于电子束R,实验T是有一另另4个多双缝衍射实验。让L上的双缝一起去打开,导致 分析观察者跟踪R’的每有一另另4个多电子,看它是算是通过缝S,则观察者就间接地知道电子束R的每有一另另4个多电子经过的是哪一根缝,从而命题B要求:

  D.导致 分析观察者跟踪R’的电子,则干涉条纹将消失。

  不到,导致 分析实验条件不变,所以观察者不再跟踪R’的电子,干涉条纹会不会消失呢?

  按照命题C,导致 分析不到观察者的跟踪,对R’的电子的测量就少了“人眼的一瞥”你你这人 决定性的最终环节。在你你这人 残缺不全的测量过程中,该电子不会从“不选用具体情况”过渡到“选用具体情况”,从而屏上的干涉条纹不会消失。后来 ,按照冯·诺伊曼的意见,实验T的结果将是:

  E.不到观察者跟踪R’的电子,干涉条纹才会消失;导致 分析观察者不跟踪R’的电子,干涉条纹就不会消失。

  而按照路德维希的意见,R在屏上的干涉条纹会不会消失,只与客观的实验条件有关,与观察者是算是知道R’的电子的行为无关。于是从命题D得出结论:

  F.不论观察者跟踪不跟踪R’的电子,干涉条纹不会消失。

  这是D-L-P理论与“退相干理论”的所期待的结论。

  无论实验T出先结果E还是出先结果F,命题D都成立,即:导致 分析观察者跟踪R’的电子,则干涉条纹将消失。而干涉条纹的消失,则起源于对电子束R’中的电子的观测,只不过对于不同的测量理论,被观测的电子将经历不同的过程。对于冯·诺伊曼测量理论来说,它是最终导致 分析“人眼的一瞥”而导致 的有一另另4个多未必选用具体情况过渡到选用具体情况的过程;对于D-L-P测量理论来说,它是导致 分析被观测的电子自身的“各态历经”而导致 的有一另另4个多统计力学过程;对于“退相干理论”来说,它是导致 分析“量子纠缠”而导致 的有一另另4个多动力学过程。

  导致 分析命题D成立,则从实验T也能知道到底是冯·诺伊曼测量观点正确还是路德维希的观点正确,但不到判定D-L-P理论与“退相干理论”孰是孰非。

  另一方面,命题D要求R’的电子与其R中的配偶两种生活生活“非定域关联”,后来 ,按照爱因斯坦的定域性原理,命题D不成立,即:

  G.不论观察者跟踪不跟踪R’的电子,干涉条纹不会会消失。

  导致 分析实验岂不会出先原本的结果,则从实验T也能在有一另另4个多双缝衍射实验中选用电子到底是经过哪一根缝,而一起去又不扰动干涉图案,从而命题B不再成立。按照费曼的意见,量子力学的大厦导致 分析后来 而倒塌。

  由此可见,实验T也能取代上世纪关于贝尔不等式的实验,在量子力学和定域性原理中二者择一的判决性实验。

  4我门的预言

  综上所述,实验T导致 分析出先E、F或G两种生活结果。按照量子力学,将出先结果E或F。其中结果E表明冯·诺伊曼的测量理论正确而结果F表明路德维希的测量理论正确;而按照定域性原理,则将出先结果G。

  我预言:实验T肯定会出先结果G,除了“定域性原理”以外,再补充有一另另4个多论据:

  从费曼关于退相干问題的阐述我门看得人,问題起源于实验事实A。我门认为:你你这人 实验事实表明经典概率论的全概率公式不适用于微观世界,但晚期的费曼提出了新的观点:

  “着着实量子力学诞生后来 ,我门不到使用过以概率幅迭加为基本原理的概率论,但你你这人 套做法未必违背概率论的数学行态。譬如,表示命题A的概率公式的失效未必导致 分析概率论里关于相互排斥的事件的条件概率相加的普遍定律不再成立。导致 分析,事实上,上式右边的有一另另4个多概率是在两条缝轮流打开的条件下的概率,而其左边的概率则是两条缝一起去打开的条件下的概率。条件不相同,原本就不到理由把该式看作是概率论的有一另另4个多结论。不到在经典物理学的粒子观念支配下,认为粒子只导致 分析通过某一根缝,而这时它所不到通过的另一根缝是算是开放,不会对它的行为有那些影响。不到在你你这人 假定下,才导致 分析把该式右边的有一另另4个多概率当成有一另另4个多相互排斥的事件的概率,因而遵从上式的相加规则。

  “导致 分析在量子力学中起作用的是概率幅的迭加,从而产生了干涉效应,概率迭加规则就不再成立。由此可见,上式的失效不到说明经典粒子概念的失效,未必说明概率论中的普遍定律不再成立。”

  在这里,费曼导致 分析指出双缝衍射实验并未否定经典概率论的全概率公式,但仍然保留了量子力学的基本观点:“电子的运动不会轨道运动。”在我看来,从实验事实A未必能得出你你这人 结论,你你这人 事实仅仅表明电子通过某一根缝的运动与另一根缝的启闭有关。从电磁学的角度来说,你你这人 问題很难理解:电子另一方有有一另另4个多固有电磁场,开启或关闭另一根缝,导致 分析改变你你这人 电磁场的边界条件,从而间接改变电子的运动。按照你你这人 机制,在实验T中,R的电子在屏上的干涉条纹肯定不会导致 分析观察者跟踪R’的电子而消失。

  实验T也能有各种变形,这人 用“电子通过斯特恩-革拉赫装置的不同通道”来取代“电子通过不同的缝”,原本,被观测的物理量就不再是电子的位置所以电子的自旋。或许,你你这人 观测电子自旋的实验更容易实现。

  我等待英文英文大自然的裁决。(点击此处阅读下一页)

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