沈惠川:为赵国求、桂起权等《物理学的新神曲：量子力学曲率解释》

（武汉出版社，2002）所写的

序


      若干月前赵国求先生邀我为本书作序，去年下半年万小龙先生赴合肥请我为其出访法国写推荐信时也提及此事.我初以为本书只不过是一些已发表过的文章的串稿，没料到日前寄来的大样竟有洋洋洒洒三十万字之巨，着实吃惊不小.

      关于量子力学的诠释,按照J. S. Bell（Found Phys. 1992.22（10）：1201）和B. J. Hiley（在中国长沙“量子理论基础问题暨Bohm学术思想研讨会”上的报告，1990）根据从大量文献的统计资料得到的结果分类，最主要最有影响的共有六种，即（1）Copenhagen诠释；（2）Wigner-von Neuman的“标准”诠释；（3）Bohm的“量子势”诠释；（4）Blokhintsev的（统计）系综诠释；（5）Everett III的“大千世界诠释”（又译为“多世界诠释”）；（6）Nelson和de la Pena-Auerhach的随机诠释.此外，还有介于“量子势”诠释与随机诠释之间的Madelung-高林武彦（T. Takabayasi）的流体力学表象.所有这一切，在本书中都有详尽和基本上忠实于原意的介绍.我要指出的是，量子力学各种诠释的“春秋战国”由来已久，至今尚没有一种诠释能够称霸武林，每种诠释都有其存在的理由，而且，除了这六七种主要诠释外，还有不少值得重视的正在由弱转强的非主要诠释.本书作者之一赵国求先生提出的“曲率解释”，就是其中的佼佼者.不管何种诠释，只要能自圆其说，或者部分自圆其说，都必须引起重视，仔细研究，都有其一席之地.

      当然，我最为看好的还是L. de Broglie的双重解理论，不是其简化形式“导波理论”；这不仅仅由于它是A. Einstein赞赏的，而且由于它是迄今为止唯一一种符合局域性原理的实在论量子力学.关于它的数学方面，目前已取得长足发展.有些持正统观点的量子力学工作者，为了维护其Copenhagen观点或“标准诠释”观点，不惜大量泼墨于de Broglie甚至Einstein进行侮辱，我认为此类行为太过“小人”.诚然，Einstein不是上帝，但说不说这句话倒确实反映了他的物理学观和他对Einstein思想的理解程度.我认为目前世界上有一些“铁杆”Conpenhagen学派的所谓“量子力学专家”是科学史上曾经有过的最为霸道的人之一.

      最近，评论各种“量子力学诠释”的文章由重新热闹起来，其背景乃是量子力学向信息学科的渗透和拓展.有些量子力学教科书的作者声称“可以说全部物理学都是量子物理的”，因而这种向信息学科的渗透和拓展可以认为是顺理成章的；但是也可以反过来理解：正是由于量子力学的正统理论内外交困，它才不得不需要在信息科学中的可能发展来为其壮胆取暖.实际上，目前流行于世的许多所谓关于“量子信息论”方面的文章，其中有关“EPR对”的说法就是完全错误的.就是这些错误百出的文章，照样横行于世.

      我要指出的是：EPR思想实验同Bohm思想实验之间存在着明显和重要的差别.

      在EPR论文（中文有许良英先生等人的译文和戈革先生的译文可资参考）的第二部分中指出（许译）：“我们假设有两个体系，I和II，在时间t=0到t=T之间允许它们相互发生作用，而在此以后，假定这两部分不再有任何相互作用.”（原文：For this purpose let us suppose that we have two systems，I and II，which we permit to interact from the time t=0 to t=T，after which time we suppose that there is no longer any interaction between the two parts.）“由于在量度时两个体系不再相互作用，那么，对第一个体系所能作的无论什么事，其结果都不会使第二个体系发生任何实在的变化.这当然只不过是两个体系之间不存在相互作用这个意义的一种表达而已.”（原文：since at the time of measurement the two systems no longer interact，no real change can take place in the second system in consequence of anything that may be done to the first system. This is，of course，merely a statement of what is meant by the absence of an interaction between the two syatems.）

      但是，在Bohm的《量子理论》一书中却是这么说的：“现在让我们来描述Einstein-Rosen-Podolsky的假想实验.我们把这个实验稍微修改一下，但其形式本质上与他们提出的相同，不过在数学上处理起来要容易得多.”“假定有一个双原子分子，处于总自旋等于零的状态，再假定每个原子的自旋等于ħ/2.”“现在假定分子在某一过程中被分解成原子，且在这个过程中其总角动量保持不变.于是两个原子开始分开，并很快就不再有显著的相互作用.”

      请注意黑体字“任何”与“显著”之间的差别.用现代物理学的语言来说，“不再有任何相互作用”就是所谓“局域性”而“不再有显著的相互作用”则暗含着量子之间可能存在“非局域性”.说到底，EPR实验必须是彻底相对论的，而Bohm实验则必然是非相对论的.由此可知，Bohm思想实验并不像他本人所标榜的那样“其形式本质上与他们提出的相同”.他后来提出的非局域性的“量子势”诠释同这一思想实验是一脉相承的.在“量子势”诠释中，波函数的表达式 里的确没有量子之间的“显著”相互作用，但由于“量子势” 的存在使得量子之间确确实实有着“非局域”相互作用.

      因而，后来的Bell不等式充其量只能反映Bohm思想实验，而与EPR论文无关.更何况Bell不等式本来就同量子力学相矛盾，它实际上已隐含着测量统计的经典方案.再更何况Aspect实验在验证Bell不等式时存在着程度不同的漏洞.由此可知，当前许多有关“量子信息论”文章中的说法都是哗众取宠，经不起推敲的.

      本书中还说到了相对论问题.相对论和热力学第二定律，是物理中的物理，是核心中的核心.它们相当于分析力学中的约束条件，没有相对论，没有热力学第二定律，就不可能有正确的物理学.要学习相对论，我建议看原著，至少也要读曾得到过Einstein首肯过的书籍（例如Mǿller，Pauli，Tolman，Bergmann，von Laue，Eddington等人的书），以免误入歧途.曾记得北京大学赵凯华教授说过，他所撰写的“自认为是写得最得意的”有关相对论的章节，在送交专家评审时被告知是有问题的.赵教授的这一经历告诫人们，在对相对论说三道四之前要慎之又慎.

      有关量子力学和有关相对论以及它们之间是否存在协调方面的话，我已经说过不少（例如在为赵国求先生所著《运动与场》一书所作的“跋”中就有），可能还要继续说下去.可以肯定，我关于相对论所说的话必将在或短或长的时间内得到应验，但是我不敢保证我关于量子力学方面所说的话一定有人听得进去.因为正如前文所说，量子力学各种诠释的“诸侯争霸”局面非但未见减弱，反而越演越烈；与此同时，那些霸道的“量子力学正统观点”学派的力量仍不容小觑.

      由于量子力学向信息学科的渗透和拓展而重新热闹起来的有关“量子力学诠释”的讨论和研究，是导致作者撰写本书的直接原因.在有关“量子力学诠释”的讨论和研究中，最关键的问题乃是量子力学如何同相对论协调的问题.曾经有一篇文章说，目前尚有100道物理难题困扰着人类.然而据我看来，比起其他99道物理难题来说，量子力学同相对论的协调问题乃是所有问题的根本.此问题实乃20世纪人类留给21世纪物理学的第一朵“乌云”.

      而量子力学同相对论相协调问题的具体表现，就是在讨论“量子力学诠释”或量子力学基础问题时经常谈到的“EPR实验”问题和“Schrödinger猫佯谬”问题.S. Hawking的高足吴忠超先生在1999年3月17日《中华读书报》一篇纪念A. Einstein诞生120周年的文章中说：“就现状而言，量子力学并不自洽，它仍然忍受着Einstein-Rosen-Podolsky佯谬的折磨.”“近年来的一些研究似乎在一定程度上解除了Schrödinger猫对它的折磨.”从吴忠超的这段话中可以看出，甚至连Hawking学派都认为这两个问题仍是所有讨论“量子力学诠释”问题时所要解决的关键.关于“EPR实验”问题，笔者已有一篇拙文（大学物理，2000，19（4）：34）奉献给诸位.笔者认为自己已将所有有关问题摆到了桌面上，那些“铁杆”Conpenhagen学派分子认为已经解决了的问题其实根本没有解决，只不过是自欺欺人而已；而一些所谓“量子信息论”文章中所提到的“EPR对”，实质上充其量只能称得上“Bohm对”，与Bohr同Einstein之间的争论完全无关.据笔者看来，在对“EPR实验”精神实质的了解方面，Bohm，Bell，还有Aspect，都及不上Bohr；Bohr完全认识到量子力学必定是非局域的，而Bohm，Bell，和Aspect只是到后来才认识到这一点.

      本书作者所倡导的“量子力学曲率解释”同量子力学的其他诠释一样，我看无法摆脱“EPR实验”的折磨，尽管他们现在仍在做种种努力.但是“量子力学曲率解释”能否在解除“Schrödinger猫佯谬”的折磨方面有所建树，人们还是可以有所期待的.至今为止，似乎只有“大千世界诠释”对此问题能够自圆其说，然而这种诠释过于超脱，凡夫俗子无法深明其中的禅机.

      关于“Schrödinger猫佯谬”问题，最近被许多“量子信息论”方面的文章炒得沸沸扬扬，也就是吴忠超先生所说的“似乎在一定程度上解除了……折磨”.兹举出以下几篇综述的目录提供给诸位参考：

      （1）叶李华.大肥猫的物理难题.科学月刊（台北）.1997.335：914-917

      （2）丁效良.量子密码. 科学月刊（台北）.1997.326：110-119

      （3）丁效良.量子资讯理论. 物理（台北）.1997.19（2）：237-246

      （4）丁效良.量子猫的故事. 物理（台北）.1997.19（5）：439-449

      （5）沈致远.薛定谔猫的生与死.科学.2000.52（5）：46-48

      （6）孙昌璞.经典与量子边界上的薛定谔猫.科学.2001.53（3）：7-11

      （7）孙昌璞.量子力学若干基本问题研究的新进展.物理.2001.30（5）：301-316

      可以看出，由于在信息产业方面的超前发展，台湾科学家对“Schrödinger猫”问题的关心要早于大陆科学家，而且台湾科学家所写的文章也较之大陆科学家的文章更为通俗易懂.

      大陆科学家沈致远的文章有一小段“导读”（估计出自他人之手），其中说：“薛定谔佯谬质疑对量子力学的解释，并非质疑量子力学理论本身.量子力学所导出的结论，其正确性已被许多实验（包括最近关于薛定谔猫的实验）反复证明，两者之符合程度在科学上是空前的.”

      “导读”中的这一说法或许与D. Bohm的合作者B. Hiley的说法一致. Hiley说过：“如果有人到我这儿来，并说，他想解决某一物理问题，我会向他们推荐正统诠释.因为我知道，它不仅有效，而且给出正确答案.但是，当你考察正统诠释，并企图理解电子产生干涉图样时有什么事情发生，那么，你就没有什么物理方法去说明这一图案的形成了.”

      “导读”中所说的和Hiley所说的话，等于承认量子力学正统诠释并非万能的，而它在诠释“Schrödinger猫”问题时更是无能为力.

      此外，大陆科学家孙昌璞关于“EPR实验”和“局域性问题”的说法也是错误的和不足为信的：“为了克服这种矛盾，D. 玻姆提出了所谓定域隐变量理论……1963年，贝尔（J. Bell）提出了所谓的贝尔不等式，使得人们能通过实验来检验量子力学和定域隐变量理论的孰是孰非.”

      在本“序”以及所引的拙作中，笔者通过对比EPR论文和Bohm的著作中的有关段落，已经证明了Bell不等式和Aspect实验之类，与EPR思想实验完全无关.为了慎重起见，笔者还特意找来了EPR论文的原文进行核对.在铁的事实面前，一些量子力学专家仍在喋喋不休地谈论“EPR对”或者“使得人们年通过实验来检验量子力学和定域隐变量理论的孰是孰非”之类的话题，使得人们有理由怀疑他们的科学诚意.Bell生前曾指责有些量子力学专家所谈的论据是经过“故意的挑选”的，目前的形势同Bell所指责的完全相符.

      由于这一理由，以及许多“量子信息论”论文的作者从未有过研究量子力学基础理论的学术经历，人们对他们所作的有关“Schrödinger猫佯谬”的研究结果持怀疑态度并进行重新研究是完全应该的、非常及时的.因为“Schrödinger猫佯谬”问题是量子信息论中的关键问题，是研制“量子计算机”的理论基础之一，所以笔者建议所有从事量子力学基础理论的科学家都来关心这个问题，包括本书的作者在内.毕竟，目前关于“量子力学诠释”的热烈讨论，就是基于量子信息论的发展前景，而目前由量子力学专家所撰写的文章是十分令人不满意的，其可信度是要打问号的.

      孙昌璞在文章中说过：“引入波粒二象性的观念或几率解释是各种佯谬出现的本质.”这句话或许触及了问题的核心，这就是笔者认为“曲率解释”在Schrödinger猫问题上或许有所建树，人们可以有所期待的原因.

      赵国求先生及其同事在短短的七八年时间内成就了一种敢于向“正统观点”叫板的量子力学诠释，实在是一件不易的事.很明显，本书要比赵国求先生的旧著《运动与场》写得更为深入，尽管本书还存在这样那样的毛病，但这并不妨碍本书仍可获得“值得一读”的评价.尤其是，通过将几种主要的“量子力学诠释”与本书作者提出的“曲率解释”进行对比，读者自然会了解目前流行的“正统量子力学”中所存在的问题.如果这些问题能引起读者的重视，作者的目的就算达到了.

      Einstein说过，对真理的追求比对真理的占有更重要.祝愿本书作者今后取得更大的成就，希望量子力学曲率解释能在量子力学向信息学科的渗透和拓展中有所作为.

      是为序.

                                          沈惠川

                                          二〇〇一年六月

                                          于中国科学技术大学