量子力學的哲學

根據紐約約翰·威利文學出版公司1974年版譯出。本書全面介紹和討論了量子力學的形式體系建立之後，各派學者對這一體系所作的詮釋，對於其中幾個主要的詮釋，從哲學史上追溯了這些概念的歷史根源，並對其邏輯、物理內容和哲學涵義進行分析。

基本介紹

• 書名：量子力學的哲學
• 類別：物理
• 出版社：紐約約翰·威利文學出版公司
• 出版時間：1974年

圖書出版信息

可惜到目前為止,人們只找出這個級數的前幾項(不超過10階).

高速運動粒子的波函式滿足狄拉克方程，它包含波函式對時間和對空間的一階方程和狄拉克方程都是關於波函式的線性齊次微分方程。對滿足方程的波函式，幅角增加一個常數值，方程仍然滿足，即狄拉克方程滿足整體規範變換。把狄拉克方程中的普通微商改成協變微商，它在局域規範變換下保持不變，直接保證了電荷守恆。局域規範不變的狄拉克方程和Maxwell方程描寫了相對論帶電粒子與電磁場的相互作用，此方程組二次量子化後得到量子電動力學，它的預言在極高的精度下與實驗驚人地符合，從而證明了用這種方法處理帶電粒子與電磁場的相互作用是正確的。史蒂芬·霍金也指出:"也許就不存在粒子的位置和速度，只有波。只不過我們企圖將波硬套到我們預想的位置和速度的觀念中而已。由此導致的不一致乃是表面上不可預見性的原因"(《時間簡史》P154)。量子力學的主要特徵並不是非對易代數，而是幾率振幅的存在，後者是全部原子過程的基礎，它的物理內容由它的表述形式的統計規律的能力包羅盡，這種規律支配著在用平常語言指明的條件下得到的觀察結果。由波動力學得到的物理推論在本質上是統計性的，這種統計性通過Born對普遍碰撞問題的光輝處理得到了澄清。（3）符號式量子力學表述形式的適當物理解釋，只在於和個體現象有關的肯定的或統計性的預見，而這些個體現象是在用經典物理概念定義了的條件下出現的。當處理一個全新的經驗領域中建立秩序的工作時，我們幾乎不能對任何習見的原理有所信任，不論這種原理多么廣闊，我們只能避免邏輯上的矛盾，而在這一方面量子力學的數學表述形式肯定應該滿足這一要求。（3）物理學總是預先假定：世界是存在我們之外的，不依賴於任何觀測行為，但是量子力學認為世界並非存在於我們之外和獨立於所有的觀測行為。Bell基於定域實在論和存在隱變數的觀點，分析了自旋單態下的兩個自旋為0.5的粒子，對於這兩個粒子的自旋沿不同方向的投影的關聯，他得出了一個著名的不等式（Bell不等式）。根據這個不等式，可以在實驗上檢驗究竟是正統量子力學正確，還是定域實在論正確。A.Aspect等人的實驗觀測以及後來所有有關實驗都證明，量子力學的預言是正確的，而定域實在論給出的不等式和隱變數的觀點與實驗相悖，筆者認為出現這一現象的根本原因在於觀察者所用的測量儀器激發的場——相對時空影響了絕對時空的結構，Einstein忽視了相對時空的影響。

實證哲學觀的局限性

進行了長達近30年的論爭 由於Einstein的哲學觀後半生發生了很大的變化，因此對量子力學產生了懷疑，Bohr和Einstein關於量子力學的哲學基礎進行了長達近30年的論爭，其實他們都在不同程度上，企圖運用經典物理學的概念去理解和在不同程度上，企圖運用經典物理學的概念去理解或者說明量子力學的基本原理。

進行了長達近30年的論爭

根據量子力學哥本哈根解釋 動量和坐標測不準關係是引起Quantumdecohernce的一個重要原因，但最近德國Rampe小組的冷卻原子布拉格散射實驗表明，測不準關係不是Quantumdecohernce的唯一起因，而測量儀器和被測系統通過相互作用，形成的量子Entangledstate是問題的核心。在他們的實驗中，原子質心的動量擾動，可以被降低到忽略不計的程度，只須用原子的內態標記原子的空間路徑，原子的干涉條紋便消失了。Rampe小組的冷卻原子布拉格散射實驗從一個側面表明，測不準關係只是物質固有屬性——波粒二象性的一個方面的體現，而不是由“主觀介入”引起的。（2）Rampe小組的冷卻原子布拉格散射實驗進一步說明哥本哈根量子力學解釋的局限性，Mach的實證哲學導致量子力學理論必須引入“主觀介入”，微觀概念不再具有“客觀性”，從而量子微觀世界不會獨立於主體之外。有人甚至由此得出“月亮在無人看它時確實不存在”的荒謬結論。Einstein反對這樣一種觀點：如果一些測量儀器的目的是要規定現象的時空參照系，那么對於客體和測量儀器間的動量交換及能量交換的控制就要被排除。Einstein提出了一種論證：當把相對論的要求考慮在內的話，這樣的控制是可能的。筆者認為，Einstein的這一觀點是錯誤的，相對時空總會影響絕對時空的結構，但是儀器也是客觀實在，儀器和微觀粒子間的相互作用也不過是客觀世界中的相互作用，簡單地把儀器說成是觀察者，並推斷說觀察者對微觀粒子的影響大到不可控制，會帶來一些看上去不可逾越的困難。方程具有時間反演的“可逆性”，但在測量過程中Wavepacketcollapse的“跳躍”卻是時間反演不可逆的。因此，從原則上講，就不可能“推導”出時間反演不可逆的結果。StephenHawking曾經提出過量子相干性喪失的可能性，因為電磁空間具有分立結構。要想從方程推導出Wavepacketcollapse，就必須對儀器的巨觀和經典性質加以強調，不可單純由方程得到。可以證明，在巨觀極限下，如果僅關心較短的時間演化，恢復Quantumdecohernce的量子跳躍來不及發生,方程為量子態提供了完全決定性的時間演化，方程加上量子力學的系綜解釋，的確可以說明Wavepacketcollapse這一Quantumdecohernce現象，“主觀介入”可以排除。（2）對量子描述賦予客觀的物理實在：量子態。據《自然》雜誌最近報導，現在卡爾-赫斯和沃爾特-菲力浦提供了有力的證據證明Einstein的懷疑是正確的——在量子理論背後的確有另一套規律在起作用。在1935年，Einstein與另外兩個物理學家一起做了一個“思想實驗”，通過這次試驗他們發現，根據量子理論可以推導出一種奇怪的長距離作用——對於一個粒子的測量會影響到另外一個粒子，不論它們的距離有多遠。由於這一奇怪的現象，Einstein認為有更為基本的理論隱藏於量子力學背後。他提出了“隱藏變數”——那些可以改變數子的不確定性的量，但是這些量是不能被直接測量的。科學家現在發現，如果“隱藏變數”有隨時間變化的性質而且相互關聯，Einstein的懷疑就是正確的。例如，倫敦的鐘表和紐約的鐘表會同時旋轉，但並不相互影響。但是它們所顯示的時間確實是相互關聯的。

根據量子力學哥本哈根解釋

“貓”的佯謬 於1935年提出了後來稱為“貓”的佯謬。大意如下：構想在一個盒子裡裝者一個貓，一隻毒藥瓶，一個放射源，還有一些傳動裝置。構想放射源在每一秒的時間內有1/2的機率放射一個粒子，這個粒子通過一些傳動裝置使毒藥瓶打翻，毒藥被釋放，貓被毒死。而如果沒有粒子被放射，則貓仍然活者。按照哥本哈根學派對於態函式的理解，我們可以構想用一個態函式φ描寫被關在盒子了的貓。我們先蓋上盒子。經過一秒的時間，貓有1/2的幾率活者，也有1/2的幾率死了。在我們沒有揭開蓋子時，貓處於一種半死半活的狀態。一旦我們揭開蓋子，相當於“測量”貓的死活，我們只能看到一種狀態，貓要么死了，要么活者，這相當於貓的兩種不同的“本徵態”。的本意是想用這個佯謬來說明測量過程波包的收縮，而且這裡的態是巨觀的態——死貓與活貓，它本質上是兩個巨觀可區分的態相干疊加，涉及量子力學的基本問題。對這樣一個問題進行研究，將有助於對量子力學的解釋進行探討。世界是有波函式描寫的，不是一個個可觀察物理量。

“貓”的佯謬

何祚庥 由於所有負能態被填滿的狀態相當於真空，負能態上因跑掉一個電子而留著的空穴就相當於出現了一個正能粒子，因此自然界只存在兩種electriccharge。微觀粒子的運動和巨觀質點一樣，在每個時刻都有確定的位置、速度、加速度。但是由於時空量子的存在，一束電子流經過雙縫或晶體會發生干涉、衍射，具有波動性，波粒二象性類似於Brownmotion，巨觀質點的波動性不明顯，微觀粒子的波動性是“場的時空本質”的表現形式，貓佯謬並不存在，因為對於巨觀測量講，對應於每一個確定的輻射，不存在幾率問題。何祚庥認為：“引入波粒二象性或幾率解釋是各種佯謬出現的本質。”（2）出現在量子力學基本規律的量不能指望描述物理實在本身，它們描述的只是物理實在顯現的幾率（1）。根據測不準關係，物理實在（絕對時空）永遠測不到，因此二十世紀Einstein與哥本哈根學派之間的論爭可以告一段落。現代量子力學除了對於定域性和測量問題進行爭論外，量子現象的一些新領域仍然要進行探索和理解，例如量子傳態(quantumteleportation)，量子計算，包括玻色——Einstein凝聚在內的巨觀量子系統，多粒子糾纏態等等，依然不斷地提出一些新的數學方程式以及新的解釋，例如包括用正算符取值測度（positive-operatorvaluedmeasures）和最大對稱算符(maximalsymmetricoperators)去描述觀察量，消相干(decoherence)和超選擇定則(superselectionrules)等等。

何祚庥

改變的性質的強烈暗示必須來自廣義相對論 Planck講：“科學家全部活動的支柱是他們對世界圖景的實在性深信不疑。由於這樣一種無可懷疑的事實，就很難不擔心：如果Mach的思維經濟原理真的成為認識論的中心的話......科學的發展就要受到致命的阻礙。”Einstein講：“有一個獨立於知覺之外的客觀世界是一切自然科學的基礎（1）。當有人試圖把理論的量子描述看成單個物理系統或事件的完備描述時，他會陷入矛盾之中（4）”RogerPenrose認為，量子力學中兩個基本過程U和R的非一致性（U服從完全決定性的方程，而R為隨機的態矢量縮減，只要人們認為進行了一次“觀測”，則必須經歷這樣一個過程）。它只有在某種激進的新理論的框架中才能被解決，而這兩種過程U和R被認為是對於包容更廣的、更精確的單獨過程的不同的（而且非常優越的）近似。其改變的性質的強烈暗示必須來自廣義相對論。

改變的性質的強烈暗示必須來自廣義相對論

人擇原理 可以釋義作：“我們看到的宇宙之所以這樣，乃是因為我們的存在。”從相對論和量子力學基礎上提出的人擇原理也是實證哲學觀的體現。實證哲學從形上學出發，但最終導致走向唯心主義的泥坑。從時空的相對性與絕對性原理可知，波粒二象性、量子力學中兩個基本過程U和R的非一致性是絕對時空與相對時空共同作用的結果，迄今為止場論還不能為物質的分子結構和量子現象提供解釋。

人擇原理

參考文獻 1、《物理學的進化》Einstein和英費爾德著周肇威譯上海科學技術出版社1962年

參考文獻

2、《物理教學》2001年第6期2——7頁華東師範大學出版社

3、《尼耳斯.玻爾哲學文選》[丹麥]N.Bohr著戈革譯商務印書館1999年

4、《Einstein晚年文集》Einstein著方在慶韓文博何維國譯海南出版社2000年3月第1版

5、《物理》第31卷第3期179頁