论宏微观因果关系及量子平行态

 赵国求

                         湖北省创新研究会前沿科学研究院

华中科技大学—WISCO联合实验室

摘要

宏观经典世界，内在定域因果关联；微观量子世界，内在非定域因果关联。量子测量的物理本质是消除非定域因果关联，恢复定域因果关联；测量导致: 双4维复时空向4维实时空的全域转换，量子场向经典连续场的转变。量子态的非定域“坍缩”是在时空的全域转换中实现的，把宏、微物理态演变的因果关联同等看待是不对的。

关键词：因果关系  定域  非定域  量子平行态  时空转换  坍缩  量子测量

1.引言

    因果律，就是事物之间的因果关系[1][2]。因果关系是事物和现象本身所固有的；原因在先，结果在后；相互作用是它们之间联系的纽带[3]。由于作用速度不超过光速，因而“相互作用+作用时间过程”同定域因果等价[4]。“定域因果性”是宏观物理学中讨论因果性的重要哲学和物理学基础。

中国古代哲学家主张“天人合一”。在中国哲学家眼里，“天”是“宇宙”，是“大自然”，人参与着它的建构；古希腊哲学家主张自然与人分离，自然有自身内在逻辑与必然性[5]，认识自然就是求真；我们则认为“大自然”是“自身内在逻辑与必然性”及“人参与”的统一。但人不可将主观臆想肆意强加给“大自然”，人不能为自然立法[6]。

传统思想认为，因果性有力学因果性与统计因果性之别。力学因果性认为相互作用是运动状态改变的原因，包括经典统计热力学，相互作用是因，状态改变是果，具有决定论意义。

量子力学统计因果性认为，波函数的时间演化是决定论的。由于波函数的统计意义，薛定谔方程的时间演化具有统计因果性。时间演化是因，概率分布状态改变是果，薛定谔方程的时间演化是决定论的[7]。

1. 本征态间类空间隔的产生
   2019年 6 月 3 日，英国《自然》（Nature）上发表文章称，量子跃迁有

   一定时间过程。我们认为由于跃迁时间极短，量子理论体系假定突变时间t=0，仍然有效，量子理论成立。借此可定义跃迁速度概念。若微观客体在线性、平直、连续时空中运动。s为跃迁距离，t为跃迁时间，跃迁速度可定义为

                          v=s/t。

   1）质点模型中微观客体的运动属性

       质点无大小。量子力学中，在微观客体自身结构范围内，质点模型理论中，

   前后量子突变距离s_→0=0，突变时间t_→0=0，Ψ_n，Ψ_n+1同时出现。跃迁速度             

                          v=s/t=0/0=C（常数）

   理论上，常数C可以小于、等于、大于光速。

       突变时间t=0，暗示跃迁速度可以超过光速。超光速是微观客体的基本性质。

   这是量子跃迁与质点模型附加给微观客体的额外性质，有人的主观性，对应点粒

   子模型理论运动中的内在规定性。狭义相对论中使用的是点模型，能量连续变化，

   没有能级跃迁，正好可以对应一个定域性因果约束条件。狭义相对论约定，取常

   数C小于、等于光速，刚好满足定域因果性要求[8]。

       量子力学中人的主观暗示与狭义相对论约定发生了矛盾。

   2）有形微观客体与空间非定域性

      真实微观客体是个有形结构，跃迁时，最小跃迁距离是整体结构s=2R，R是

   场物质球半径。跃迁距离s≠0，跃迁时间仍然规定t=0，跃迁速度  

                             v=s/t=s/0=∞

   运动、能量变化“超光速”！有形客体“前后态”量子跃迁伴有空间间隔s=2R

   的突然加入，插入了类空间隔。能级间能量变化“超光速”有客观依据[9]。

   有实验表明，量子态之间类空间隔区域是微观客体的康普顿（Compton）波

   长 λc=ћ/mc，它无疑给场物质球模型提供了理论和实验支持[10][11]。双4维时空协变量子理论中定义的类空间隔，正是微观客体康普顿波长：λc=ћ/mc，即微观客体的场物质球半径R。

   在量子跃迁假设下，量子态Ψ_n—Ψ_n+1之间，就有一个光速无法沟通的类空

   间隔插入，以替代粒子不能叠加的经典概念，并为非定域因果性播下种子。但点模型却把这种客观原因造成的空间性质的变化，主观上变成“点”粒子超光速变化与运动属性，造成量子力学与相对论不协调。主观归还客观，建构新的时空，是消除矛盾的根本出路。

   量子力学时空不是普通的牛顿时空、狭义相对论时空，而是满足量子力学规

   律、合理解释量子现象的新时空。它就是双4维量子力学复时空。双4维量子力学可以通过采用多维状态空间数学方法，引进光锥图分析类时，类光，类空空间之间的相互关系。双4维时空量子力学与狭义相对论有内在一致性，可以相互沟通[12]。

2. 点粒子模型中，多维状态空间性质与背景空间相同。代价是微观客体赋予了运动变化超光速属性，与相对论矛盾。球模型双4维时空量子力学中，微观客体在时空中运动，量子跃迁使态与态之间增加了类空间隔，状态空间物理性质发生了变化，不同于背景空间。双4维时空量子力学中，微观客体结构量子化及量子跃迁是时空非定域的根源。

   点模型与球模型状态空间物理性质是不同的。球模型量子态在双4维复时空，物质波传播在类时空间，与相对论协调；点模型量子态在4维实时空，暗示粒子有超光速运动，与相对论不协调；类空间隔和超光速运动是两种模型在不同物理空间的等价表述。描述量子现象，球模型双4维复时空比点模型4维实时空更合理。

   点模型4维实时空内在定域因果性，球模型双4维时空内在非定域因果性。量子测量则导致连续补偿作用的引入，物理时空非定域的消除，双4维时空向4维实时空的全域转换；导致球模型到点模型、量子场向经典场、物质波到概率波的转变。两类空间可以通过量子测量沟通[12]。

   总之：

   （1）测量前：非定域因果关联，存在量子平行态。态与态之间定域相互作用被截断，微观客体作自由运动，建在微观客体上的坐标系是惯性系，空间平直；

   （2）测量：引入连续相互作用，能量、动量、连续变化，类空间隔消失，使用点粒子模型描述物理现象；

   （3）测量后：物理空间发生了转换，恢复定域因果关联，微观客体在4维连续实空间运动，使用点粒子模型，微观客体概率属性得以呈现。

   （4）测量：引入相互作用R过程，类似惯性系间引入非惯性系，本质是消除类空间隔。

   世界就两个，一是微观量子世界，一是宏观经典世界。微观量子世界，内在非定域因果性，存在平行量子态；而宏观世界状态改变需要相互作用和作用时间改变，内在定域因果性，不可能构成类似量子世界的同时平行态。

   宏观世界内在定域因果性，力是因，状态改变是果；微观量子世界内在非定域因果性，类空间隔是因，自由微观客体平行量子态出现是果。宏观世界没有量子世界相同意义的平行世界存在。

   量子力学中，波函数称为概率幅，具有概率属性，双4维时空协变量子理论中波函数具有物质属性，是物理波（由史保森等人所证实[13]）。所谓薛定谔方程的时间演化是决定论的，指的是物质密度或结构的时间演化是决定论的。波函数测量表现的随机性，只是两类空间转换中波函数概率属性的实验呈现[14]。薛定谔方程本身概率幅并没有直接描述概率转化。

   3.两类因果关系的再认识

   定域因果关联同“相互作用+作用时序”等价[4]。自然界，因果关系有其内在的客观规定性。引力、电磁力、强力、弱力是客观存在的自然力，传播速度不能超过光速，规定了世界万事万物的运动规律，提供了定域因果关系逻辑基础，并为自然立法。人类可以认知大千世界的运行规律，但不能臆造，“道法自然”。“自然力为自然立法”，构成定域因果关系。

   量子力学中的本征态叠加，实质上是通过量子化及量子跃迁假设，引入类空间隔，切断连续函数相邻态之间相互作用和先后时序，保留本征态自身随时间演化的自由运动状态，并使其同时并存、叠加的产物[12]。

   量子跃迁时间t=0,既造成量子态的平行并存，又造成了系统叠加态整体时间的连续性。它为薛定谔方程和狄拉克方程中时间的连续变化创造了条件。

   定域因果关联，有两个重要因素，一是相互作用，一是前后作用时序。简称定域因果两要素。根据狭义相对论，相互作用的传播速度是有限的，因此，有相互作用就有作用过程，相互作用的存在一定包含有前后作用时序的存在。去掉相互作用，又截断前后时序，还加上类空间隔的引入，就形成新的非定域因果关联。微观量子世界，空间非定域是因，微观客体自由运动，态的平行存在是果。

   在非定域因果性的微观量子世界，量子测量引入R过程，出现相互作用导致破坏非定域因果性，恢复定域因果性。破坏定域因果性，进入量子叠加世界，呈现非定域因果性；破坏非定域因果，恢复定域因果，进入经典运动世界。量子测量是两个空间转换的必经桥梁。

   定域因果既有相互作用又有时序，符合宏观经典世界因果变化规律；非定域因果微观客体自由运动，只有概率或物质密度的时间演化，符合量子世界薛定谔方程运动规律。薛定谔方程的时间演化是决定论的。

   通常把波函数演化的U过程和R过程，统一理解为3维或4维实空间的物理过程，这很难讨论量子态之间的因果关联。我们采用双4维时空方案对此作了修正，从而消除了许多认识上的混乱[15]。     

   4.量子分割图解

   平面波叠加实际是连续函数量子分割的产物。物质波、概率波都是对量子现象的客观描述，但在不同物理空间。物质波在 W(x,k)，概率波在M⁴(x)。通过量子测量进行转换。

   图一、能量连续变化波函数

   平直空间，连续曲线，卢瑟福原子模型：力的作用是因，状态改变是果——定域性因果关联。如图一

   

   图一、平直空间，连续曲线

   图二：能量及结构量子化分割——间段函数，态与态被截断--有类空间隔加入，破坏定域因果律，进入非定域性因果关系。空间非定域是因，微观客体自由运动，态的平行存在是果。

    

   

   图二、平直空间、间断函数、类空间隔

       1）图一到二说明：插入类空间隔，切断力学因果链，定域因果律遭破坏，态“同时”并存 。代价：牺牲经典定域性因果律。进入非定域性因果律，出现量子平行态。波函数传播在W(x,k)空间。

   2）图二到图一说明：测量引入了连续补偿场，破坏非定域性因果进入定域性因果，物理时空发生转换，物理模型变化，量子跃迁消失，恢复连续力学运动，消相干。

   5.结论与讨论

   1） 世界就两个。区别在于状态变化的因果关系不同。微观量子世界，内在非定域因果性，有平行态存在；而宏观世界内在定域因果性。宏观世界没有量子世界相同意义的平行世界存在。把宏观物理态与量子态等价，并作为“客观世界很有可能并不存在”的重要依据，是完全错误的。

       2）因果性：引入量子跃迁假设，破坏定域因果性，呈现非定域因果性，进入量子叠加世界；测量引入连续相互作用，破坏非定域因果性，恢复定域因果性，进入宏观经典世界。量子测量引入了连续相互作用，是两个空间转换的必经桥梁。

   3）时空建构：物理时空具有建构特征，人们可以将物理现象对人主观认知的影响，通过一定的转换机制，从人的主观认知演变成时空的属性，达到主客二分，客观描述外部物理世界。

   4）理论上讲，量子力学本征函数系可看作是原子中电子连续运动函数按量子分割，截断、删除连续函数相邻态之间连续相互作用及状态连续变化的波函数。因此，是量子化和量子跃迁将微观客体在经典时空经典场中连续运动状态，变成双4维时空中间断的、包含类空间隔的局部量子自由运动。双4维时空量子力学中，爱因斯坦EPR论证中物理量实在性判据的来历很清楚[10][11]。物理量的实在性不是天上掉下来的，ψ_n(x)的本征值早就隐含在连续函数ψ(x)之中[16]。

   参考文献

3. 休谟，人类理解研究（M），北京：商务印书馆，关文运译，2010.p20、24、27.

   [2].康德，任何一种能够作为科学出现的未来形而上学导论（M），北京：商务印书馆,1997.庞景仁译 p3-15

   [3].马克思、恩格斯全集（M），中共中央马恩列斯著作编译局编译，北京：人民出版社，2006，p545-555.

   [4].L.斯莫林,通向量子引力的三条途径（M）,李新洲等译，上海科学技术出版社，2003，p7.

   [5].吴国盛，从求真的科学到求力的科学（j），中国高校社会科学，2016，（1）,41-50.

   [6].赵国求、李康,论物理时空的建构特征（j），现代物理学，2017，

   [7].薛晓舟，现代物理学哲学问题（M），长沙：湖南大学出版社，1996，p85.

   [8]. 爱因斯坦，狭义相对论浅说（M），北京，科学出版社，1965，p85

   [9].赵国求,找寻本征态叠加的物理机制[J]. 武汉理工大学学报(文科版), 2018, 31(3): 7-13.

   [10].曾谨言 裴寿镛，量子力学新进展，北京大学出版社，2000年，p305-306.

   [11].张永德，量子菜根谭（M）（第三版），北京：清华大学出版社，2012，p295-303.

   [12].赵国求，双4维时空量子力学基础（M），武汉：湖北科学技术出版社，2016，p157-176.

   [13].史保森等，量子螺旋双缝实验：证实波函数的物理实在性[j]，科学通讯，2017.08.024. http://dx.doi.org/10.1016/j.scib.2017.08.024。

   [14].Guoqiu Zhao,Meaning of the Wave Function and the Origin of Probability in Quantum Mechanics,

   Published by Quantum Speculations on September 28, 2019 Volume 1, Issue 1, pages 32-45 https://www.ijqf.org/archives/5710

   [15].桂起权、陈晓平,互补性构架及其逻辑重建（j），武汉大学学报（社）1997（2）

   [16].M . 雅默，量子力学的哲学（M），秦克诚译，北京：商务印书馆，1989，p557-565，595-610.

    

On macro - microcosmic causality and quantum parallel state

Guoqiu Zhao

Huazhong university of science and technology - WISCO joint laboratory

Abstract:

Macroscopic classical world, internal localized causality; Microcosmic quantum world, internal non-localized causality. The physical essence of quantum measurement is to eliminate the non-localized causality and restore the localized causality. The measurement results in the global transformation of dual 4-d complex space-time to 4-d real space-time, and the transformation of quantum field to classical continuous field.The non-localized "collapse" of quantum states is realized in the global transformation of space-time. It is wrong to treat the evolution of macroscopic and microcosmic physical states in the same way.

Keywords: causality  localized  non-localized  parallel state  time-to-space conversion 

collapse  quantum measurement