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Einstein与Bohr辩论之结局
中国科学院 力学研究所 吴中祥
提 要
Einstein以EPR论文与Bohr关于“量子力学是否完备?”的辩论。
以“Bell不等式”为判断标准的大量实验都与量子力学一致,并证实量子纠缠等现象的客观存在。
这是否就能表明:“宇宙不是客观现实,而只是幻象”呢?!
“EPR”和“Bell不等式”所判断的“客观实体”都是只适用于各单个粒子。而对于作为大量粒子代表的微观粒子就并不适用。
“量子力学”,实际上,是大量粒子的统计力学。
实验中的“量子纠缠”等现象,都是大量微观粒子运动的统计规律。
而物质的各种统计特性,也正是其客观现实性的一种具体表现,当然,不能认为“只是幻象”!
关键词:EPR,Bell不等式,量子力学,微观粒子,统计规律,客观现实,
1.引言
所谓:“Bell不等式”是判断Einstein根据“物理实在独立于观测者而客观地存在”和“粒子间传递信息不超过光速,不存在超距作用的定域性原理”而与Bohr辩论“量子力学”是否完备的标准。
法国科学家Alain Aspect于30 March 1981发出了他们测得的:在“钙”的放射原子级联中辐射出的光子的偏振相关性。一个高效源提供改进统计精度和做新实验的能力。他们的结果与量子力学预示的非常一致,强烈地违反推广的Bell不等式,越出了现实局域理论的整个级别,偏振源分开到6.5 m的观测结果没有明显的改变。
以及后来的这类被认为是20世纪最重要的实验表明:在特定的情况下,同时向相反方向发射的次原子粒子,不管彼此距离多远,在一方被影响而改变方向时,另方也会同时改变方向,而认为它们能够彼此互通信息。
还激发了一些更为“尖锐”的解释。例如,伦敦大学的物理学家DavidBohm相信Aspect的发现是意味着客观现实并不存在,尽管宇宙看起来具体而坚实,其实只不过是一个巨大而细节丰富的全息照片(Hologram)般的幻象。
因此,必须对此,认真考查、弄清真相。
2.所谓:“EPR”
A.Einstein, B. Podolsky, N. Rosen, 3人在Physical Review 47, p777-780 (15 May 1935) 上发表了一篇题为:“Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be ConsideredComplete?” (量子力学对物理世界的描述能被认为是完备的吗?)的著名文章。所谓:“EPR”就是这篇文章的3位作者名字的首个字母。
在这篇文章中,作者们首先阐述了他们对物理理论的看法:一个严谨的物理理论应该要区别“客观实体(object reality)”及对它的运作。客观实体应独立于理论而存在。判断理论是否成功,应问自己两个问题:
(1)理论是否正确? (2) 理论的描述是否完备?
只有这两个问题都是肯定的,这理论才能令人满意。
理论的正确性当由实验来决定。
而此文探讨的主题则是“量子力学的描述是否完备”。
在进一步讨论理论的完备性之前,作者们提出了一项判别完备性的条件。即:
物理实体的每一个要素必须在理论中有一对应物(everyelement of the physical reality must have a counterpart in the physical theory),
决定了物理实体的“要素”,就容易回答第二个问题了。
作者们以为: “如果,不以任何方式干扰系统,就能准确地预测(即机率为1)某一物理量的值,就必定存在一个物理实体的要素与这个物理量对应。”只要把这个准则看成是充分条件,这个判别准则就应同样适用于古典物理与量子力学。
但是,在量子力学中,例如:以波函数描述的粒子,分别以其动量算符和位置算符作用于波函数,就因所谓“测不准关系”,而被认为:不能同时具有确定的值。在此情形下,动量和位置,就只有一个是物理实体,有确定的值。而另一个是不可预测的,仅能以实验测定之。然而任何一次实验的测定都将干扰粒子而改变其状态,被测后的粒子将不再是原有的值了。对此,当其一确定;是物理实体时,另一,就不确定;非物理实体。
对于两个不可对易的可观察量(observable),知道其中一个物理量的准确知识,就将排除对另外一个的准确知识;任何企图决定后者的实验,都将改变系统的状态而破坏对前者的知识。因而,作者们就发现面临了如下的两难局面:
(1)或者,在量子力学中波函数对物理实在的描述是不完备的。因为,两个物理量应同时具有确定的值,根据作者们对完备性的条件,在波函数的描述中应包含这些值。但事实上不可对易的两个物理量并非如此,因此波函数的描述是不完备的。
(2)或者,两个对应于不可对易算符的物理量不能同时是实在的(即具有确定的值)。这就表明:量子力学中,通常假设了波函数包含了描述物理系统一切完备的资讯。而按他们对物理实体的判别准则,这就是一个矛盾。即:著名的 EPR 悖论(EPR paradox 或 EPR dilemma)。
他们还设计了一个理想实验来证实他们的观点。即:假设有两个粒子 1和2,从t=0到T的时间内相互作用,到t>T后就分开,而不再有任何相互作用。根据Schrodinger方程可以算出以后任何时刻两个粒子的状态。可以肯定两个粒子的位置差为a.也能同时地肯定两个粒子的动量分别是p 和-p.它们也都是实在的。这两个粒子既已足够远地分开,没有任何相互作用,而这两个量却同时存在的(即使不能同时去量它们)。这就表明:前面两难条件的(2)是不可能的。因此,(1)一定是对的。而大胆的宣布:量子力学的描述必是不完备的。而同时期待将会出现新而完备的理论。
在他们的推论中,实际上,隐含了两项基本原则:
(1)物理实在是独立于观测者而客观地存在的。
(2)两粒子间传递信息的速度不能超过光速,不存在超距作用(action-at-a-distance)。这项假设后来被称为 Einstein 定域性原理(locality principle)。
3.Einstein与Bohr的辩论
当 EPR 的论文发表之后,立刻产生了很大的影响,成为新闻焦点。当时的纽约时报以头条报导:“Einstein 抨击量子理论”
其实,Einstein 一直对量子力学的机率解释感到不满,他曾在写给Born 的信中提到:“量子力学虽然令人赞叹,但在我的心中有个声音告诉我,它还不是那真实的东西……我无论如何不相信上帝会在掷骰子!”
1927年九月,在意大利科摩(Como)召开了一次纪念意大利科学家 Alexaudro Volta(1745-1827)逝世一百周年会议上, Niels Bohr首次公开地演讲他的互补原理(complementary principle)。
几个星期后在布鲁塞尔举行的第五届Solvay Congress,这次会议 Bohr和Einstein, 都出席了,Bohr又重述了他在科摩会议上的观点。由于Einstein 并未参加科摩会议,这还是他首次听到 Bohr 亲自阐述互补原理和对量子力学的诠释。
Einstein 就起来发言,表示赞同量子力学的系综(ensemble)机率解释。deBrodlie-Schrodinger波不是代表单个粒子,而是代表分布在空间中的一个粒子系综。理论所提供的信息是关于这个过程的系综的,因此不赞成量子力学是描述单一过程的完备理论。
Einstein 的发言立即激起了与会学者的热烈讨论。
Bohr极力想要说服 Einstein:难道不就是你第一个突破古典物理的框架,提出相对论和光的量子理论吗? 难道不就是你首先在 1905年提出光的波粒二象性思想的吗?不就是你将机率的概念引入来解释辐射问题的吗?像你这样一个量子物理的开拓者,难道不应该进一步接受更新的量子力学观点,把理论更进一步向前推进?
然而 Einstein坚信,离开知觉主体而独立存在的客观世界,是一切自然科学的基础。他曾在与为他立传的作家 Aphis并肩同行的时候,突然停下来,转身问Aphis:“是否真的相信,月亮只有在我去看它的时候才存在?”。
EPR 的抨击再度激起了两位巨人之间新的论战。据当时Bohr的同事Leon Rosenfeld 回忆道:“这对我们来说简直是晴天霹雳!(onslaught that came down upon uslike a bolt from the blue.) 对Bohr的影响太大了...”、“当Bohr听到我报告Einstein 的论证后,马上放下所有的工作说,我们要立刻澄清这个误解!”
4.Bohr对EPR的反驳
同年十月,Bohr 也在Physical Review 上发表了一篇同名的论文,反驳Einstein 等人的观点。Bohr 首先批评了EPR对物理实体的判别准则。Bohr 以为一个物理量只有在当它被测量之后才是实在的。在EPR的理想实验中,虽然我们对粒子的测量的确会得到预期的结果,然而只有在我们安排这一实验测量之后,该物理量(位置或动量)才是实在的。所以EPR 的判别准则是有问题的。
其次Bohr 分析了EPR 的理想实验,并不赞同Einstein 的定域性原理。认为:两个粒子分开后,仍然存在着某种关联性。对粒子1的测量,仍会扰动整个系统。
量子力学是一个和谐的数学体系。它的预测与微观领域的实验结果都符合得很好。既然它的预测都能够被实验所证实,实验又得不出比理论更多的东西,还有什么理由要求它有更高的“完备性”呢?量子力学确实描述了宏观仪器对微观客体的度量,这种宏观度量只能得出微观客体运动的统计结果。量子力学也只能透过这些宏观表现去观测微观客体的某些属性,它确实以“作用量”反映了客体的运动状况。因此,Bohr认为,从它自身逻辑的相容性、和经验符合的程度来看,量子力学是完备的。
不过Bohr 的这篇文章里,以为一个物理量只有当它被测量了以后才是实在的。这种观点,怎能回答, Einstein 对Aphis的提问:“是否真的相信,月亮只有在我去看它的时候才存在?”?
5.Bell不等式
1964年8. J. Bell 在Physics I 上发表了“Onthe Einstein Podolsky Rosen paradox”的文章。与Einstein类似地设计了一个理想实验,装置 A、B两个探测器,测量两个单态(singlet state)的自旋1/2粒子a, b, c,3个任意不同方向的自旋分量。(此前,1951 年,已有Princeton大学教授David Bohm 提出了两个探测器,测量两个单态(singlet state)的自旋1/2粒子必然彼此相反,或相互垂直自旋分量的类似理想实验),而能推导出了一个不等式,即所谓:“Bell不等式”。说明了定域性隐变量理论的相关性(correlation)和量子力学是不同的。
指出任何企图保持Einstein定域性原则的隐变量理论都将不能和量子力学相容。这就是著名的Bell 定理。
后来Bell及其后继者都曾改进并推广这个不等式。
1969年,J.F.Clauser 及M.A.Horne 等利用光子对的偏振(polarization)相关性,改进并推广了Bell 不等式。并提出了可行的实验,检验Bell不等式。
E.P.Wigner,A.Shimony,H.P.Stapp 等人也都相继提出了类似的不等式。
而所谓Bell不等式已是此类不等式的通称。
6.实验证明符合量子力学的结果。
1976年Clauser重复1973年Holt和Pipkin的这个实验,而和Holt及Pipkin
相同得到违背量子力学的结果。但是Clauser发现在实验装置中一个装有电子枪和汞蒸气的Pyrex(一种耐热玻璃)球壁上有不正常的应力。在修正此项错误之后就得到了符合量子力学的结果。也就是,已经按Bell 不等式,实验证实了量子力学的的正确性。
1981年Alain Aspect测得:在“钙”的放射原子级联中辐射出的光子的线偏振相关性。与量子力学非常一致,偏振源分开到6.5 m的观测结果没有明显的改变。
1997年,由日内瓦大学Nicolas Gisin所领导的研究人员证明被扰乱的成
对光子,即使经由光纤网路送到相距10公里外村庄中的两组探测器中,相距如此遥远的光子已违反贝尔不等式至少9个标准误差
1998年10月,在巴尔的摩所举行的美国光学协会会议中,Los Alamos
美国国家实验室的Paul Kwiat和他的 同事们宣布他们建立的一个混乱光子对的超亮光源,在少于3分钟的时间内,得到违反贝尔不等式242个标准误差的结果。
同时,由Anton Zeilinger所领导的因斯布鲁克大学的研究组将探测器相距400公尺远,且以任意的速度,得到违反贝尔不等式30个标准误差。
可见,实验已充分证明了量子力学的的正确性。特别是,证实了微观粒子之间存在着所谓:“量子纠缠”(quantum entanglement)。即在量子力学中,有共同来源的两类微观粒子之间存在着某种纠缠关系,不管它们被分开多远,都一直保持着纠缠的关系,对一类粒子扰动,另一类粒子(不管相距多远)就有确定关系的相应扰动。
7.是否宇宙就不是客观现实,而只是幻象呢?!
既然大量实验表明违反了,以EPR关于物理实在是独立于观测者而客观地存在的,贝尔不等式,是否宇宙就不是客观现实,而只是幻象呢?!
显然,不是!
其实,包括Einstein与Bohr在内的科学家,都承认:量子力学的系综(ensemble)机率解释。deBrodlie-Schrodinger波不是代表单个粒子,而是代表分布在空间中的一个粒子系综。
时空可变系多线矢物理理论体系还由时空多线矢“相宇”的统计力学具体证明了:各相应的波函数都是各相应的明显含有时间的最可几分布函数,量子力学只是大量粒子的统计力学。
量子力学的所谓:分布函数(波函数)、测不准关系、量子纠缠等等,都不是单个粒子的特性。而是,大量粒子的统计特性。只能给出作为大量粒子的代表,微观粒子,在相应时空的几率。
而由EPR和Bell不等式所推断的“客观实体”(object reality)的条件,却都是只适用于各单个粒子。而对于量子力学中,作为大量粒子代表的微观粒子,就并不适用。
实验中的“量子纠缠”现象,并非成对的个别粒子彼此互通信息,而得出的有确定关系的相应运动;而是大量的相应成对的粒子都按相应的统计规律运动的结果。
而物质的这种统计特性,正是其客观现实性的一种具体表现。
当然就不能因此反而否定其客观现实性啊!
8.参考文献:
[1]“CanQuantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered
Complete?”A. Einstein B. Podolsky N. Rosen,《Physical Review》47, p777-780(15 May 1935).
[2] “Can Quantum-Mechanical Description ofPhysical Reality Be Considered
Complete?” Bohr, 《PhysicalReview》 48, p696 (15 Oct 1935).
[3]“On the Einstein Podolsky Rosen paradox” 8.J. Bell《Physics》I #3,p195(1964).
[4] A. Aspect, P. Grangier, G. Roger, Phys. Rev. Lett. 49,p91-94(1982).
[5]《时空可变系多线矢世界》吴中祥博士苑出版社2004年11月
[6] http://www.sciencenet.cn/u/可变系时空多线矢主人/
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GMT+8, 2024-9-2 04:13
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