介绍一下量子力学与非决定论

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  量子力学与非决定论----爱因斯坦和玻尔半个世纪的争论爱因斯坦和玻尔围绕量子力学问题的争论是科学认识史上最著名的争论。这场争论之所以发生，是因为科学研究深入到微观领域后出现了许多新情况，引出了一系列需要解释的问题，迫使科学家要改变长期以来形成的传统观念。爱因斯坦和玻尔争论的过程可以分为四个阶段，下面依次叙述四个阶段的争论情况。1927年前分歧潜在地存在着1927年以前，分歧是存在的。具体表现在：爱因斯坦不愿意放弃因果性，玻尔坚持的是统计性；玻尔完全赞同量子力学的观点，爱因斯坦在1926年还认为，量子力学固然是堂皇的，可是有一种内在声音告诉我，它还不是那么真实的东西。这理论说得很多，但是一点也没有真正使我们更加接近于“上帝”的秘密。我无论如何深信上帝不是在掷骰子；爱因斯坦坚持光的粒子观和波动观的统一，玻尔则倾向于光的经典波动理论；玻尔不在乎引用几率，不在乎背离动力学的基本原理，爱因斯坦则不同意这一切。另外，也有一些事实表明，两人观点的对立是有深刻的内在根据的。1913年，玻尔提出原子结构模型，当爱因斯坦发现这个理论正是他认为的那种“摇晃不定、矛盾百出的基础”时，他说什么也不能理解。他称此为奇迹，比喻为“这就像一个人脚下的土地被抽掉了，使他看不到哪里有可以立足的巩固基地”。根据M．J．克莱茵（M．J．Klein）的看法，玻尔也曾一度拒绝过光量子概念。1923年，康普顿效应的发现对光的粒子说是一次有力的支持。它迫使玻尔采取断然措施，这就是1924年与克拉默斯（H．A．Kramers）、斯莱脱（J．C．Slater）联合发表的论文：《辐射的量子理论》。文章完全抛弃了爱因斯坦关于辐射的量子观点，宁愿放弃守恒原理，也不肯承认光量子概念。直到1925年，玻尔才把爱因斯坦的光子概念以统一在波粒二象性的框架内的形式加以接受。思想实验使争论发展为第二阶段1927年10月24日～29日，在布鲁塞尔召开了第五届索尔威（Solvay）会议，爱因斯坦应邀出席。会议的原定主题是“电子和光子”。但由于玻恩和海森堡在报告中提出了测不准原理。由此引发出非决定论是“天生存在于自然定律中的”和“量子力学是一种完备的理论；它的基本的物理假说和数学假说是不能进一步加以修定”两个结论，这就和爱因斯坦的观点相抵触。正是在这种背景下，爱因斯坦站起来发言了，第一次公开争论的序幕拉开了。爱因斯坦的发言主要是指出量子力学在逻辑上是不能自洽的，特别是他的统计性解释违背了相对论的近距说。他描述了如下的实验（如图2—45）：设S是一个壁障，它上面开有一个不大的孔。P是半径很大的半球面形照相胶片，假定电子沿箭头所指的方向射向S。它们通过小孔后可进入半球形空腔内，并在半球形的底片上留下电子到过的“痕迹”，究竟哪一点可拍下电子的“痕迹”，量子力学认为是“几率性的”，任何一点都可能出现电子图像。可粒子尚未定位之前，几乎是以恒定的几率潜在地出现在整个底片上，但电子只能在某一点上出现。这样，一旦电子在底片上某一点处出现，就在一瞬间影响了底片上其它各点处的情况，使其它各点的几率全为零。由于设想这个装置很大。电子从未接触底片到接触底片的一瞬间就要通过很大的距离。这必然要承认一种作用，它的传递不需要时间，这就是特殊的超距作用。相对论证明，这种超距作用是不存在的，所以量子力学的统计解释是不自洽的。在爱因斯坦看来，“这个困难是无法克服的”。为了回答爱因斯坦的批判性分析，玻尔分别考虑了小孔带有快门和不带快门两种情况和相应的条件，最后得到和测不准关系相一致的结论。这样爱因斯坦也只好承认，用确定位置坐标的同一系统来精确测量动量传递是不可能的。1930年10月20日～25日，在布鲁塞尔召开的第六届索尔威会议上，爱因斯坦经过精心准备，提出了著名的光子盒实验，把争论进一步引向高潮。设有一个不透明的盒子用弹簧挂在支架上（如图2—46）。盒内装有计时装置以控制一个快门。正对着快门的盒面上开有一孔。盒上与开孔相对的一面有一指针，指向支架杆上的刻度，借此可测定整个盒子的重量。设想当快门从时刻t1到时刻t2打开的瞬间，有一个光子从盒子中跑出。按质能关系式E＝mc2，光子发射前后盒子的质量变化可以精确测定。这个质量差就是发射的光子的能量。同时根据计时装置又可准确地确定光子的发射时刻和达到远处屏上的时间。这样，按照爱因斯坦的想法，关于能量和时间的测不准原理似乎就难于成立了。玻尔听后有点坐不住了，散会休息时他好像掉了魂一样，嘴里不住地说，如果爱因斯坦对，物理学完蛋了。如果说爱因斯坦的进攻大大出乎玻尔的意料，那么玻尔对爱因斯坦的回答也是爱因斯坦没有想到的。玻尔是用爱因斯坦广义相对论来反对爱因斯坦的。根据广义相对论，在光子发射的前后，光子盒有一个重量的变化，使光子盒在引力方向上有一段距离为△q的移动，这种移动就会改变时钟的快慢。所以当用尺子测弹簧秤读数时，时间就不能精确测量了。如要精确测量时间，就要排除引力场，但这样一来，光子盒的重量就测不出来了，质量的变化也就测不出来了。是广义相对论表明，△E和△t不能同时精确测定。爱因斯坦只好承认玻尔答辩的合理性。但并没有被说服，只是由此改变了策略，其表现就是1935年和别人一起合写的那篇文章中提出的论点。EPR悖论把争论引向第三阶段哥本哈根学派认为，量子力学对“原子客体”的描述是完备无遗的，对此爱因斯坦表示怀疑。1935年，他和玻多尔斯基（B．Podolsky）、罗森（N．Rosen）在美国《物理学评论》（physical Review）上联合发表“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？”的论文。向哥本哈根学派的“完备性”观点提出了质疑。爱因斯坦三人在文章中提出了如下假想实验来阐述他们的观点。设有两个系统Ⅰ和Ⅱ，假定它们在确定时刻t0以前的状态是已知的，t0至T这段时间间隔内，这两个系统彼此之间曾发生相互作用，然后，由于某种相互作用的结果，Ⅰ和Ⅱ在空间被分隔开来，以至可以认为它们之间不再发生任何相互作用。根据薛定锷方程，我们可以算出联合系统（Ⅰ+Ⅱ）在以后任何时刻的状态。如果我们在T以后的某时刻，对一个系统（例如系统Ⅰ）进行测量，并进而确定表征该系统性质的一个物理量A1，这时因Ⅰ和Ⅱ无相互作用，某些守恒定律（如动量、自旋）得以发生作用，我们不对系统Ⅱ进行任何测量，直接根据对Ⅰ测量的结果和守恒定律，就能替系统Ⅱ算出一个确定的相应的物理量A2。同样，我们可以放弃测量A1的打算，转而决定测量系统Ⅰ的另一不与A1对易的物理态B1，由此又能不干扰系统Ⅱ而立刻确切预言系统Ⅱ的对应于另一态的物理量B2。在爱因斯坦等人看来，可以在不干扰的情况下对系统Ⅱ的x、p作出精确描述，而Ⅰ、Ⅱ两个系统就可同时具有准确的x、p，这也和量子力学的测不准原理相矛盾，所以不完备。玻尔很快回答了爱因斯坦的挑战。他抓住了佯谬提出方式上的两个弱点。首先，玻尔认为，爱因斯坦等提出的判据是不能令人满意的。说“对系统不作任何干扰”这不可能，因为在量子力学中，两个粒子才构成一个系统，它们被同一个波函数所联系，我们作用于其中一个粒子，它就能作用于整个体系。这就是玻尔对量子力学中整体性的新理解。另外，玻尔认为，在量子论的范围中，只有那些其数值是在现实的测量过程中被记录下来的量才具有实在性。所以对于一个没有进行测量的系统作出的坐标和动量的预言值，并不具有物理实在性。虽然爱因斯坦也承认玻尔的思想在逻辑上是允许的。但他觉得这同他的科学直觉相矛盾。使他不能不去寻求更完备的观念。其间尽管有许多人提出了卓越的论据，但爱因斯坦一直到逝世都坚持他的观点。隐参数理论把争论推向第四阶段1952年玻姆（D．Bohm）使用自旋对EPR佯谬进行了重新表述。他设想，存在着自旋相互作用的两个粒子，按照可分离性原则，当它们相互分离不再有自旋相互作用后，对其中之一的测量不会立即影响到另一个，这样就可对其中一粒子的自旋加以测量，并由此获得另一个粒子的自旋。由于将自旋引入了EPR佯谬，玻姆的最大贡献在于他使EPR佯谬一下子从过去的不可能由实验来证实的思想实验变得有可能进行实验检验了，这就是贝尔不等式。从1970年起，许多科学家对贝尔不等式进行了检验，至1982年的12年间，共进行了12项实验，有十项实验的结果有利于量子力学的哥本哈根学派的诠释而不利于局域实在论理论，只有两个不违犯贝尔不等式，因而有利于局域实在论解释。尽管如此，围绕量子力学诠释问题展开的这场争论并没有取得最后的统一，也没有最后证明哪一派是最后的胜利者。对这场争论的评价爱因斯坦和玻尔就量子力学诠释问题所展开的争论涉及到了认识论的许多方面。概括起来主要有：①是否具有严格的因果决定论或非决定论？②有没有超距作用？自然界发展的规律是定域的还是非定域的？③自然界的基本规律是纯客观的，还是会受到主观观测行为的影响？这些问题是一切深入到微观领域的研究必然碰到的。所以这场争论的影响绝不仅仅限于物理学领域。在这场争论中爱因斯坦的批评对确立始终一贯的量子力学解释起了重大作用。促使玻尔他们提出并分析了更多的假想实验，进一步论证充实了他们的观点。爱因斯坦还深入探讨了新理论的本质，指出了这个新理论与现有的科学世界观发生分歧的那些关节点，并以自己的批判引起了人们对此的广泛注意，因此爱因斯坦对这场争论的贡献是不可抹杀的。

  
  

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• ヌニヲ

  量子力学(Quantum Mechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。　　有人引用量子力学中的随机性支持自由意志说，但是第一，这种微观尺度上的随机性和通常意义下的宏观的自由意志之间仍然有着难以逾越的距离；第二，这种随机性是否不可约简(irreducible)还难以证明，因为人们在微观尺度上的观察能力仍然有限。自然界是否真有随机性还是一个悬而未决的问题。对这个鸿沟起决定作用的就是普朗克常数。统计学中的许多随机事件的例子，严格说来实为决定性的。

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