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贝尔定理:变脸中的非局部性

已有 4644 次阅读 2015-1-17 12:08 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

      定理,在我们的一般想法中,至少其内在含义是不变的,而其外在表述也应该是尽可能少变点。然而,这样的想法只不过是我们的主观认识而已。如果一个定理的前面没有可依赖的前提性定理来约束它,那么它是可变的。这令人吃惊!但是,物理定理就有这样的特性,物理定理会随我们对物理世界的理解的变化而变脸。

这是区别于数学定理的。数学定理在其对象被限定后,几乎没有变脸的可能。数学定理的变脸一般是因其对象的扩充而变脸的。与此不同的是,我们并不在一开始就了解物理定理的适用范围,而随着其适用范围的扩大,变脸也就是必要的了。由此看,与数学上的变脸是等价的。

所以,随着我们对物理定理内涵的认识加深,定理的变脸是很自然的事情。我们是否愿意接受是一个主观的过程,而定理本身因研究工作的扩大而变脸却是客观发生的事情,是主观无法改变的事情。我们要么是选择固守在某个时期的定理,要么是设法理解当前变脸后的定理。

      贝尔定理(也称非局部性定理,或非局域性原理)是不确定性世界的研究者所看重的基础定理。它是如何变脸的呢?其变脸的过程与科学研究的进程是如何联系在已起的呢?这是一个以实验证据来推动的实证过程还是一个随主观认识深化而改变的过程呢?

      牛津大学的HarveyR Brown & Christopher G Timpson 刚发表的论文(Bellon Bell’s theorem: The changing face of non-locality, arXiv: 1501.03521)论述了贝尔定理在量子物理学中的变脸,很有科学史价值,特摘编译如下。

      19641990年间,贝尔非局部性定理逐步的从量子力学的范畴扩大到一个普遍的概率性定理中。在1976年至今,作为前提公理的量子力学的非局部性(也就是违反局部因果律)逐步的从贝尔定理中分裂出来(这点被学术界忽视了)。

      1990年,贝尔发表论文最后一次论述贝尔定理。他强调,可乘法因子分解条件(无相关性)不能被看成是局部因果性的表述,而是局部因果性的推论。他在1980年后一直想解决的一个问题就是:不可乘法因子分解和狭义相对论是不相容的。主观上,他认为,相关性最适合于作为因果性来解释。但他却建议:对可乘法因子分解必须极端警惕。为何他会这样想呢?

      他认为,局部因果律的灵魂是建立在原因客体上的,而可乘法因子分解压根就不考虑作为原因的客体。无论如何,在1964年局部性定理的局部性含义和局部因果性的局部性含义之间还是存在重大差别的。前者排除了瞬时超距作用,而这个排除与局部因果性间的关系是不明确的。更为不靠谱的是违反直觉性:对局部因果律的违反并不意味着超距作用。超距作用是由于所使用的理论框架而引入的。量子现象的洛伦兹协变框架只是在1964年贝尔定理关于局部的概念的意义上违反了局部因果性原理。

      1964年版的贝尔定理和1976年版的贝尔定理间是重要区别的。贝尔认为,在量子力学违反局部因果律的证明中,没有必要把贝尔定理作为一个基础定理,甚至于连纠缠贝尔定理都没有必要。

      1964年版的贝尔定理源于量子力学隐变量理论争论。文中,贝尔揭示了,任何引入隐变量的确定性理论都必定的会产生超距作用。而一旦引入超距作用也就违反了洛伦兹不变性。到了1976年,贝尔明确了局部因果律是与物理世界的随机性理论相联系的。此时,可乘积分解条件不再是针对粒子系统的测量结果,而是针对时空中的类空分裂区域,导出了两个不等式。此文有如下特点:贝尔定理并不依赖于量子力学;量子力学本身违反局部因果律,这并不依赖于贝尔不等式,也不依赖于纠缠。

      根本性的差别在于:违反1964版的因果性条件必定导出超距作用的存在,而违反1976版的因果性条件就不会走向超距作用。

      超距作用的引入是理论建造失败的标志;局部因果性的破坏也是理论建造本身不协调性的结果。因而,贝尔定理只是揭示此类破坏的底层逻辑结构的一个判据,而不是一个可以作为基石的基础定理。

      总而言之,别人把贝尔定理推向伟大的方向,而贝尔则把贝尔定理推向它该去的地方:随机过程局部因果律条件的表达,从而使非确定性理论获得类似于确定性理论那样的“完备性”,从而与之能“平等的”并列为科学理论。

     




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