量子力学的困境与双4维时空协变量子力学基础的建立

——兼论爱因斯坦物理实在论

 赵国求                         华中科技大学-WISCO联合实验室                             

摘要 双4维时空协变量子力学基础放弃经典质点模型，采用可变旋转场物质球模型，并建构双4维时空，尝试建立实在论量子力学基础理论体系，支持爱因斯坦实在论。双4维时空协变量子力学基础中波函数的物理意义、波-粒二象性、测不准关系、自旋、量子概率、叠加态、相干态、纯态、纠缠态等传统量子力学难以理解的量子现象将全部得到实在论解释。

关键词 量子力学基础; 双4维时空; 球模型; 旋转场物质; 波函数; 实在论

一、量子诡异现象种种

1、微观客体的波-粒二重属性

牛顿说光是粒子，惠更斯说光是波，继而德布逻意说实物粒子，诸如电子也有波性，叫物质波^[1]。实验证明了他们的预言。微观客体既是粒子也是波。但令人不解的是，微观客体如何集粒子和波于一身？宏观世界，波-粒不能兼容！不过，普朗克讨论黑体辐射的能量计算时，让人有了新的启示：微观客体的波-粒二象性可能是观察环境与其内部物质运动的综合产物^[2]。  

2、电子是经典粒子或经典的波吗？不是。

经典力学中“粒子”不能叠加，一个位置被粒子占有，另一个粒子就不能占有；而经典的波是运动形式在媒质中的传播，可以叠加，一列波通过A处，另一列波也可以同时通过A处；牛顿力学中，麦克斯韦电磁波的传播媒质是经典以太；相对论力学中，电磁场的传播是场物质的直接传播，不需要媒质^[3]。本文将证明，物质波是电子内部场物质的涨落运动，是物理波，不是知识波。

量子力学中电子的波特性与电子的粒子特性如何统一？它预示，描述它需要一个新的物理模型和物理时空才能办到^[4]。

3、量子力学可以由波包定义粒子吗？不能。

薛定谔曾经设想电子的粒子性由波包描述。但波包会随时间“长胖”，没有看到实验依据^[5]。而用“点模型”的经典波“构造波包”描述电子的粒子性，粒子概念在定义经典波时就进入了，存在逻辑循环。

4、如何理解量子概率、量子叠加态、纠缠态，量子测量等，都是世界难题。

1）量子概率的物理本质是什么？爱因斯坦学派认为是一种外在的隐变量在起作用，哥本哈根学派则认为是粒子的天性，上帝掷骰子^[6]。双4维时空证明两者都不对，而是与微观客体内部场物质的空间分布有关。

2）量子叠加态的物理本质是什么？叠加态如何产生，又如何塌缩？宏观世界有对应的量子叠加态吗？多世界存在吗？人类就生活在无限多的平行世界之中？很不可信。

3）纠缠态如何形成，它的本质是什么？爱因斯坦说纠缠“相距很远没有没有相互作用，但有纠缠关联”如何理解？这与类时、类空间隔有什么联系吗^[7][8]？

4）如何理解量子测量？测量的物理过程如何体现？这些都是世界难题^[9]。

量子诡异现象还有其它表现，我们在文章的相应部分慢慢予以讨论。

二、解决量子诡异现象的思路

1、两个方向：1）寻求合理的新的物理数学方法，深入科学探索，消除诡异现象。这是科学路径。2）寻求哲学新认知，增加主观成分，改变实在论世界观，转向虚无主义，客观世界不存在，逃避认知困境。

2、科学是研究客观世界物质运动规律的。主观介入越少，越能逼近客观实际。当然，主-客绝然二分，不可取，也办不到。世上没有绝对真理，只有相对真理。

物质不同运动层次理论体系都有自已的逻辑规范，离开逻辑规范，就会造成不理解、不自洽。量子力学目前的困境可能与此有关。我们必须找到逻辑自洽的新链条。

3、量子现象与微观客体内部运动状态变化相关

    点是0维的，不能反映微观量子客体内部物质运动与变化。量子力学的困难来源于点模型使用，描述量子现象点模型失效^[10]。经典点摸型理论在量子现象描述中逻辑断裂。弦论采用一维弦模型，描述空间有11维，尽管取得了进展，但数学困难很大，物理实验也难以检验，难以继续发展。

本文介绍的双4维时空采用转动场物质球模型，它与传统球模型不同，大小自动可变，避免了超光速，与相对论协调。球有空间分布，位置不确定。最难理解的量子概率物理来源清晰，且存在于理论最底层。

4、关于量子的定义及其背后的实体依托                              

量子不是指实物粒子自身,是它的物理量不可分割的最小值。比如能量子，它是能量非连续变化的最小值。光量子即是一例。而光量子背后就有光子的存在。其他微观客体物理量也一样。例如，电子有自旋，自旋是量子化的。自旋量子依托于电子。量子与其背后实物客体不可分割。所谓微观量子客体是指其某物理量可量子化的微观客体。量子力学是“量子与实体”两者不可分割的力学，但也不能混为一体。量子力学是实在论的^[]。

量子是微观客体某物理量的非连续变化。对于光子，光子能量的非连续变化，就叫光量子。一个光子的能量就是一个光量子。光子与光量子是两个不同概念。光子是物质概念，而光量子是能量概念。人们常常把光子＝光量子。这不对。E=mc²只是数量关系。

显然，一般人们谈到光量子时，已经包含有两部分概念，一是光子，一是光子的能量子。现在人们在谈到光量子时，常常有意无意丢失光量子背后的光子。这有一个重大隐患，记住了能量的变化，却丢失了产生能量变化的实体。这可能帮助有些学者将量子力学引向虚无，引向没有实体的量子力学，使量子力学成为主观臆想的科学依据。

5、关于客观世界的认知 

“客观世界”是不以人的意志转移的客观实在。“眼看”，有人脑的加工，有主观成分。人看到的世界是“现象实体”，有脑神经网络的运作算计，非“自在实体——物理本体”。人没看到，不等于客观世界不存在。相互作用实在论定义^[11][12]：自在实体：未经观察的自然客体。现象实体：经过观察，且反映自在实体本质的，系统的、稳定的感觉表象。现象：实物外在的，零散的，不反映事物本质的，易变的感觉表象。月球经观察演变成月亮，月亮是现象实体。月球是自在实体，不观察，月亮不存在，但月球依旧固我。自在实体——物理本体与观察不观察无关。

自在实体—现象实体—现象等概念的提出，这是在建立科学实在论哲学。它是把康德的“物自体”与科学的“稳定的感觉表象——现象实体”分离，是科学实践的需要。目的，寻找科学方法及哲学概念的突破，为实在论量子力学作哲学铺垫。

不谈自在实体（物理本体），模糊“物自体”与科学的“稳定的感觉表象——现象实体”，主张眼看=客观世界——这是主观开路，寻找主观哲学突破。试图通过增加主观介入，改变实在论世界观。由此转向虚无主义，客观世界不存在，为逃避量子力学认知困难铺路。

6、提出物理时空概念

一直以来物理学家都认为时空是绝对客观存在，没有主观因素介入。牛顿、狭相、广相时空都是。这只是部分正确，不完全符合实际。其实，牛顿、狭相、广相时空都是物理时空。物理时空有建构特征，包含预设的、必要的主观意向介入描述不同认知层次物理现象。牛顿时空就预设引力相互作用速度为无穷大，把伽利略变换看作物理时空性质的变化，保证坐标变换后力学方程的形式不变；狭义相对论爱因斯坦预设光速不变，力的作用速度不能超过光速，并把络伦兹变换看作物理时空性质的变化，保证坐标变换后力学方程的形式不变。而络伦兹则直接看作是运动物体运动方向上的长度收缩。历史证明爱因斯坦的想法是对的。作者在“论物理时空的建构特征”^[]3]。一文中有详细讨论。

我们把时空坐标变量全为实数，定义为实时空。

    我们认为，描述量子现象的物理时空是双4维复时空。复时空有实部与虚部之分。实部与4维实时空有区别也有联系，虚部与球模型的曲率相关联。实时空是认知的简化。虚数i不可直接认知正好与“本体”的不可直接认知相对应。复空间的复变函数其中i可以描述“本体”的存在。

7、量子力学支持非实在论？不是。

     否定量子力学实在论应该不是玻尔的本意。但在太多的量子困惑面前，哥本哈根一些继承人试图通过定义量子，分割、丢弃量子背后的实体，为知识波开路，由此消除量子疑难。这必然导致无限扩大主观臆想，造成世界观扭曲与变异，甚或得出客观世界不存在的错误结论。这是在为否定实在论量子力学做哲学准备。

8、认识波函数的意义是量子力学第一大难题，我们必须首先解决这个难题。

    复数、复变函数既可应用于实时空，也可应用于复时空。结合维格纳方法，复时空复变函数描述量子现象更具有优势，且与实验现象完全相符，有更高的准确度。2021年潘建伟等人的量子物理实验完全证明了复空间复变函数的物理意义^[14]。

双4维复时空利用旋转场物质球模型，通过物理数学推导，证明波函数有明确物理意义，它描述场物质的涨落运动，是物理波，解决了量子力学第一大疑难。