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量子非定域性概念的哲学内涵与意义

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量子非定域性概念的哲学内涵与意义 清华大学学报(哲学社会科学版) 2004 年第 1 期 第 19卷 JOURNAL OF TSINGHUA UNIVERSITY ( Philo sophy and Social Sciences) No . 1 2004 Vo l. 19 量子非定域性概念的哲学内涵与意义 成素梅 (山西大学 科学技术哲学研究中心,  太原 030006)   摘 要: 文章从考察贝尔定理的基本假设和爱因斯坦的定域性概念,以及爱因斯坦本人对量子力学的不完备 性的论证入手, 结合阿哈拉诺夫——玻姆效应的产生与发展背景, ...

量子非定域性概念的哲学内涵与意义
清华大学学报(哲学社会科学版) 2004 年第 1 期 第 19卷 JOURNAL OF TSINGHUA UNIVERSITY ( Philo sophy and Social Sciences) No . 1 2004 Vo l. 19 量子非定域性概念的哲学内涵与意义 成素梅 (山西大学 科学技术哲学研究中心,  太原 030006)   摘 要: 文章从考察贝尔定理的基本假设和爱因斯坦的定域性概念,以及爱因斯坦本人对量子力学的不完备 性的论证入手, 结合阿哈拉诺夫——玻姆效应的产生与发展背景, 系统地揭示非定域性概念的哲学内涵。 关键词: 贝尔定理; 定域性;  非定域性; 非分离性 中图分类号: N02     文献标识码: A    文章编号: 1000- 0062( 2004) 01- 0009- 07 收稿日期: 2003- 02- 12 作者简介: 成素梅( 1960-   ) , 女, 山西大学科学技术哲学研究中心教授, 博士生导师.   目前,不论是在物理学界, 还是在哲学界,人们 都不假思索地把非定域性理解成是量子理论所特有 的一种根本属性, 是一种既成的物理事实, 是量子系 统区别于经典系统的基本特征之一。[ 1] ( P26)问题在 于,微观领域内的非定域性究竟意味着什么?应该对 这种非定域性进行怎样的理解? 承认微观粒子之间 的非定域性关联, 是否意味着存在着超光速传播?或 意味着量子论与相对论之间存在着内在矛盾? 学术 界对诸如此类的问题并没有形成一致性的共识。因 此,从考察贝尔定理的基本假设和爱因斯坦的定域 性概念,和爱因斯坦本人对量子力学的不完备性的 论证入手,结合阿哈拉诺夫——玻姆效应(简称 A-B 效应)的产生与发展背景,系统地揭示非定域性概念 的内涵与意义,成为物理哲学家对科学概念进行哲 学反思的最具典型的一个案例。 一、贝尔定理与非定域性 非定域性问题通常使用 EPR 实验的术语来讨 论。现在,物理学家普遍地把非定域性概念的基本涵 义简单地理解为: 在空间中彼此分离的两个系统之 间存在着相互纠缠,即: 区域 A 中的事件           区域 B 中的事件 同时依赖于      同时依赖于 区域 B 中的事件  远离的两个区域 区域 A 中的事件 显然,从在宏观领域内建立起来的物理学研究 传统来看,物理学家一般认为,这样的非定域性概念 是难以令人接受的。因此,他们试图根据原则上能够 决定每一次测量结果的隐变量,来探索对非定域性 行为的明确说明。正是这种执着的追求,导致了贝尔 不等式的产生和实验检验的可能。1964年,贝尔为 了在量子论中讨论非定域性问题, 在题目为《关于 EPR悖论》的文章中, 首先推广了 EPR——玻姆的 思想实验,采用不可能性证明的方式,以假设定域性 来论证隐变量。然后,他推论出一个关于实验结果的 数学条件,并证明量子论的预言不满足这个条件。贝 尔假设, 如果所进行的两个测量在空间上彼此相距 甚远,那么, 沿着一个磁场方向的测量, 将不会影响 到另一个测量结果。贝尔把这个假设称为“定域性假 设”。贝尔指出, “对于一个在量子力学上增添一些参 数以确定单次测量的结果而又不改变其统计预言的 理论,在这个理论中必须有某种机制,使得一个测量 仪器的安置会影响另一仪器的读数, 不论它们相距 多么遥远。此外,所用的信号必须是瞬时传播的, 因 此这样的理论不可能是洛伦兹不变的。”[ 2] ( P360) 显然,贝尔的这个结论至少包含了两个层次的 意思: 其一, 如果在量子力学中增添隐变量来再现 其统计预言,那么,这种隐变量一定是非定域的; 其 二,隐变量的非定域性意味着信号是超光速传播的。 贝尔曾明确地指出, 贝尔定理是“分析这样一种思想 推论的产物, 即在爱因斯坦、波多尔斯基与罗森 1935年集中注意的那些条件下, 不应存在超距作 用。这些条件导致由量子力学所预示的某种非常奇 特的关联。”严格地说, 无超距作用就是指“没有超光 速传递的信号。不太严格地说,无超距作用只是意味 着事物之间不存在隐联系。”[ 3] ( P41 42) 20 年之后, 贝尔又强调说, 他在“关于 EPR 悖 论”一文中所假设的是定域性,而不是决定论。决定 论是一种推断,不是一种假设。贝尔认为存在着一种 被广泛接受的错误信念: 认为爱因斯坦的决定论总 是一种神圣不可侵犯的原理。然而, “我的关于这个 题目的第一篇论文, 是 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 从定域性到决定论的隐 变量开始的。但是,许多评论者几乎普遍地转述为它 开始于决定论的隐变量。”[ 4] ( P259)这说明把贝尔定 理理解成以决定论为前提是一种误解;而应该理解 为是以定域性为前提。正是在这种意义上, 贝尔认 为, 20 世纪 80 年代完成的阿斯佩克特等人的实验 [ 5] ( P91 94) ,所检验的不是决定论与非决定论的问 题, 而是关于无超距作用和一个完整的世界观的 问题。 可见,按照贝尔的这种观点,贝尔定理的主要目 的是试图证实量子力学与定域性之间的不一致。它 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,在总体上,非定域的结构是试图准确地重新提 出量子力学预言的任何一个理论所具有的特征。针 对这样的实验结果,贝尔指出, “依我看, 首先,人们 必定说,这些结果是所预料到的。因为它们与量子力 学预示相一致。量子力学毕竟是科学的一个极有成 就的科学分支, 很难相信它可能是错误的。尽管如 此,人们还是认为,我也认为值得做这种非常具体的 实验。这种实验把量子力学最奇特的一个特征分离 了出来。原先, 我们只是信赖于旁证。量子力学从没 有错过。但现在我们知道了,即使在这些非常苛刻的 条件下,它也不会错的。”[ 4] ( P42)也许正是在这个意 义上, 伯克利粒子物理学家斯塔普把贝尔定理说成 是“意义最深远的科学发现”。[ 6] ( P191 205) 自从贝尔定理提出以后, 物理学家的研究分别 向着两个不同的方向延伸: 一个是具体的实验方 向;另一个是更深层次的理论方向。实验研究是试图 明确地证明量子力学与定域的隐变量理论之间孰是 孰非的问题; 理论研究是试图进一步探索与检验贝 尔定理的可靠性和普遍性的问题。KS ( Kochen- Specker)定理证明,在一般情况下, 对于一组含有共 轭变量的可观察量而言,单个量子系统不可能拥有 确定的值。KS 定理是直接从现有的量子力学的形 式体系中得出的, 而不是仅仅求助于海森堡所阐述 的不确定关系; 1989年, GHZ( Gr eenberger-Ho rne- Zeilinger)通过研究三个相互纠缠的粒子之间的关 联, 进一步支持了贝尔的结果; 1990年, 牟民( Dav id M ermin)超出贝尔定理的范围证明,经典关联和量 子描述的关联之间的差别会随着处于纠缠态的粒子 数的增加而指数地加大, 或者说,量子力学违背贝尔 不等式的程度随粒子数指数地增加。[ 7] ( P65)我们可 以把 20世纪物理学家认识非定域性概念的历史过 程归结为: EPR 贝尔定理 KS 定理 GHZ 牟民 问题在于, 如果接受贝尔的观点,那么, 就会出 现像牟民所评论的那样, 不被贝尔定理所迷惑的任 何一个人, 都不得不在自己的脑袋上压了一块沉重 的石头。[ 8] ( P38 47)其原因在于, 虽然阿斯佩克特 的实验结果似乎使 EPR 论证失去了对量子力学的 挑战性, 证实了非定域性是量子力学的一个基本属 性。但是,按照贝尔的观点,非定域性将意味着超光 速传播。而超光速传播与狭义相对论的基本假设相 矛盾。这就涉及一个关于更深层次的物理学发展的 基本问题: 即在 20世纪物理学发展史上非常成功, 并且被誉为是两大突破性进展的基础理论——量子 力学与狭义相对论——之间竟然存在着内在的不一 致性。这无疑会使物理学家感到非常困惑。为了有 助于澄清问题, 物理学家开始质疑,贝尔的非定域性 与爱因斯坦的非定域性是否具有相同的内涵? 是否 像贝尔所认为的那样,量子领域内的非定域性将一 定意味着微观信息的超光速传播呢? 为了回答这些 基本问题,近些年来,对贝尔定理的前提假设的研究 和对非定域性概念的意义与内涵的理解等问题, 受 到了理论物理学界, 特别是物理哲学界的普遍关注。 法因认为, 贝尔——定域性是指测量和观察; 爱 因斯坦——定域性是指“系统的一个真正的物理 态”。[ 9] ( P36)这些态决定真正的物理量,而这些物理 量不同于量子力学的变量。用不着为测量量子力学 的变量时出现的非定域的行为而担忧。爱因斯坦 ——非定域性恰巧是爱因斯坦的下列观念的中心部 分,即我们也可能找到一个比量子论更基本的理论, 在这个理论中, 没有任何实在会直接地受到超距作 用的影响, 而量子论将会成为该理论中的某种极限 情况。可以确信,没有任何一个人假定,像贝尔定理 那样的结果能够实际上拒绝爱因斯坦的这种观点。 10 清华大学学报(哲学社会科学版) 法因论证道, 贝尔的隐变量MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1711674982682_0其实正是爱因斯坦 所拒绝的一种类型的观点,这种方案的失败在某种 程度上支持了爱因斯坦的一个直觉: 放弃把波函数 看成是描述单个体系的解释, 采取对波函数的系综 解释的观念。 塞勒瑞( F . Selleri)指出, 爱因斯坦所追求的新 理论,至少应该满足下列三个要求: 其一,实在性要 求。认为原子物理学中的基本实体是独立于人类和 人的观察而实际地存在着的;其二,可理解性要求。 认为原子客体的结构、演化和过程有可能根据与实 在相对应的概念图象来理解; 其三, 因果性要求。 [ 10] ( P86)认为人们在阐述物理学规律时, 至少能够 给出引起任何一个被观察到的效应的原因。塞勒瑞 指出,因果性与决定论之间是有区别的。决定论意味 着在现在与未来之间存在着一定的联系; 而因果性 则意味着现在与未来之间的关联是客观的,但是,也 可能是概率的。对因果性的辩护是可能的, 而对决定 论的普遍有效性的辩护则是不可能的。塞勒瑞在运 用对因果性的这种定义分析了贝尔定理之后,把贝 尔所理解的定域性看成是概率的爱因斯坦的定 域性。 塞勒瑞认为,爱因斯坦的非定域性不完全像我 们通常认为的那样坏, 为了检验贝尔不等式,物理学 家对全部已完成的原子级联实验所进行的分析都借 助了某些附加假设。对这些假设的逻辑反驳,要求在 爱因斯坦的定域性和到目前为止已存在的经验证据 的量子预言之间, 恢复完全的一致性。目前,这种逻 辑反驳是否可能, 还是悬而未决的问题。相反的主张 则揭示了通过意识形态所选择的旧观念的偏见。在 塞勒瑞看来, 任何一个科学理论都既包含一些客观 的内容,也包含一些逻辑上任意的内容。客观的内容 是几乎不可能在基本意义上改变的内容, 它会在新 理论中得以保留;而逻辑上任意的内容可能是由宗 教偏见、文化传统或权力结构所决定的内容,它会在 以后的理论中被抛弃。从这种观点出发,塞勒瑞把非 定域性看成是逻辑上任意的内容, 认为在未来的理 论中,它可能被修改或者被抛弃。 还有一种观点认为,量子力学是在运动学的意 义上是非定域的, 而相对论(包括相对论的量子场论 在内)要求的是动力学意义上的定域性。如何能够使 这两个方面同时富有意义和协调一致起来? 如何能 够用运动学的非定域性概念来定义动力学意义上的 定域性? 这些都是需要进一步研究的更深层次的基 本问题。在传统物理学的术语中,动力学的定域性意 味着,只有在运动的光锥内,“这里”的态不可能影响 到“那里”的态。然而,一个系统的量子态所表述的是 在测量时各种属性所呈现的可能性。量子理论通过 所谓的纯态来完成这样的表述。对于一个复合的量 子系统而言,当复合系统处于纯态时,构成这个复合 系统的子系统没有自己的纯态(或者说, � ( A B )≠ � ( A ) � ( B) )。薛定谔为了强调量子力学的这一新 特征,把这种量子态称之为量子纠缠。 所以,一般的量子态“不是在这里或在那里”, 它 们是相互纠缠在一起的。它们不是空间中的延伸, 换 言之,量子态既在这里也在那里,它的变化是一种整 体性的变化。动力学意义上是定域的量子理论,可能 需要拥有比现在的希尔伯特空间结构更丰富的内 容。因此,在实在的更深层次上,量子非定域性的存 在并不等于说是证明了信号的超光速传播。因为这 种非定域的现象是即时关联, 它与距离无关。正是在 这种意义上,当前的许多文献中,普遍地把量子领域 内的非定域性理解为是一种非分离性。在这里,非分 离性是与爱因斯坦的分离性假设相对应的一个概 念。这样, 理解贝尔定理所揭示出的非定域性概念的 内涵与意义,有必要对爱因斯坦的分离性和定域性 概念进行进一步的考察。 二、爱因斯坦的分离性与定域性 分离性与定域性概念之所以引起物理学界的普 遍关注, 首先源于爱因斯坦对量子力学的哥本哈根 解释的质疑。在量子力学的发展史上,爱因斯坦对哥 本哈根解释的质疑,开始于他与玻尔就量子力学的 基础性问题, 所展开的三次有影响的大论战。1935 年发表的 EPR 论证就是这场论战的结果。但是, 后 来发现, EPR论证的基本前提, 并不能真正代表爱 因斯坦本人的观点。因为爱因斯坦在 1936年 6月 19日( EPR 论文刊出后的一个月)给薛定谔的一封 信中透露出, EPR论文是经过三位合作者的讨论之 后, 由于语言问题, 最后是由波多尔斯基执笔完成 的。爱因斯坦本人对EPR的文章没有表达出他自己 的真实观点,表现出明显的不满。因此, 不能把EPR 论证看成是可靠地代表了爱因斯坦本人的观点。法 因在 1981年第一个强调了这封信的重要性。1985 年,霍华德( Don How ard)对爱因斯坦自己的论证与 EPR论证之间的关系进行了详细而独特的研究, 并 且在爱因斯坦自己的论证和关于隐变量理论与贝尔 定理的争论之间的关系问题上,得出了不同于贝尔 11量子非定域性概念的哲学内涵与意义 的结论。 爱因斯坦分别在 1948年的“量子力学与实在” 一文中,和在 1948年 3 月 18日和 1954 年 1月 12 日写给玻恩的两封信中,明确地阐述了他本人对量 子论的不完备性的论证观点。1985年,霍华德最早 依据爱因斯坦本人对量子力学的不完备性的这种论 证观点,区分出分离性与定域性两个不同的概念。 [ 11] ( P171 201)霍华德认为, 直到 1983 年杰瑞特 ( Jon Jarret t )证明了贝尔最初的“定域性条件”实际 上是由两个在逻辑上相互独立的条件的联合为止, 学术界对微观态的理解才取得真正的进步。这两个 逻辑上独立的条件分别是指“定域性条件”和“完备 性条件”。“定域性条件”是指,粒子B 的测量结果随 机地独立于粒子 A 所测量的可观察量的选择; “完 备性条件”是指,粒子 B 的测量结果不是随机地独 立于粒子 A 所测量的可观察量的选择,而是独立于 所获得的测量结果。1986年,希芒尼建议, 用更中性 的术语, 把“定域性条件”称为“参数的独立性”( pa- rameter independence) ;把“完备性条件”称为“结果 的独立性”( o utcome independence)。霍华德指出,杰 瑞特的“完备性条件”与他的“分离性条件”是等价 的。[ 12] ( P244 P255) 从理论的观点来看,这种区分是有价值的, 它不 仅蕴含了对贝尔定理的更加广义的解释, 而且也把 讨论问题的深度大大地向前推进了一步。霍华德指 出,实际上,在爱因斯坦的不完备性的论证方式中, 包含着我们通常所理解的两个基本假设: 即“分离 性假设”和“定域作用假设”。所谓“分离性假设”是指 在空间上彼此分离开的两个系统, 总是拥有各自独 立的实在态; 所谓“定域作用假设”是指只有通过以 一定的、小于光速的速度传播的物理效应, 才能改变 这种彼此分隔开的客体的实在态。或者说, 只有通过 定域的影响或相互作用才能改变系统的态。 在霍华德看来, 分离性假设是爱因斯坦始终不 愿意放弃的基本假定, 因为爱因斯坦不仅把分离性 假设看成是物理实在的必要条件。而且他还认为,正 是分离性假设确保了, 在时空中被观察的客体总能 够拥有它自己的属性, 即使在具体进行观察时有可 能会改变这些属性;相比之下,定域作用假设比分离 性假设更基本,它是检验物理学理论的必要条件,是 保证分离性假设成为可能的一个基本前提。因为爱 因斯坦认为, 如果没有定域作用假设,我们就不能屏 蔽来自远距离的影响, 也就很难相信物理测量结果 的可靠性。所以, 比分离性假设更进一步, 爱因斯坦 把定域作用假设看成是将量子力学与相对论一致起 来,所坚持的一项更基本的限制性原理。 霍华德的分析说明, 从概念的定义来看, 分离性 假设与定域作用假设之间不一定必须存在着必然的 内在联系。在空间中已经分离开的两个系统, 不等同 于两个系统之间没有相互作用;同样,两个系统之间 存在着相互作用,也不是两个系统是非分离的标志。 在爱因斯坦的观点中,分离性假设作为物理系统的 个体性原理( a principle o f individuat ion for phy si- cal system ) ,在一个更基本的层次上起作用。物理系 统的个体性原理决定,在一定条件下我们所拥有的 究竟是一个系统,还是两个系统。如果两个系统是非 分离的,那么,在这两个系统之间就不可能有相互作 用,因为它们实际上根本不是两个系统。正是以分离 性假设为基础的个体性原理决定了在一定条件下, 我们所拥有的系统是一个系统,还是两个系统。 霍华德从区分出分离性假设和定域作用假设出 发,得到了理解贝尔定理的物理意义的一个新视角。 他认为, 定域性不是贝尔不等式成立的唯一前提条 件, 可以从两个独立的假设——分离性假设和定域 作用假设——推论出贝尔不等式; 他还证明, 任何一 个其预言满足贝尔不等式的隐变量理论都是可分离 的理论, 至少在贝尔实验语境中所隐藏的态是分离 的。以这种观点为基础,霍华德得出了非定域性不等 于超光速传播的结论。霍华德在 1985年的那篇论文 中指出,如果我对贝尔不等式的推论是站得住脚的, 那么,对贝尔实验结果的解释就变得很简单。我们必 须或者放弃分离性, 或者放弃定域性。这个选择分别 对应于是接受非分离的量子力学,还是接受非定域 的隐变量理论。但是,如果我们只能够作出一种选 择,那么, 大多数人很可能会站在狭义相对论的定域 性约束的立场上,宁愿牺牲拯救分离性,而喜欢第一 种选择。此外,还因为我们已经拥有了一个高度成功 的非分离的量子力学,但却没有任何一个令人满意 的非定域的隐变量理论。 霍华德认为,一方面,由于物理学家缺乏对非分 离的隐变量理论的认真思考, 极大地影响了对贝尔 不等式的起源问题的真正研究。事实上,贝尔不等式 所揭示出的非定域性,指的是定域的非分离性,而不 是指非定域的相互作用。在这个意义上,量子力学与 相对论并不矛盾。另一方面,这种理解也与爱因斯坦 本人的方法论原则相一致。在爱因斯坦的观点中, 定 域作用假设如同质能守恒定理和热力学第二定律一 样,具有较高层次的约束性,能够引导我们的理论发 12 清华大学学报(哲学社会科学版) 展;而分离性假设如同原子论假设一样,更像是一种 ‘构造的’原理, 这类假设经常会成为科学进步的障 碍。因此,正如狭义相对论的建立,是由于修改了运 动学——即论述空间和时间规律的学说, 广义相对 论的建立,是由于放弃了欧几里得几何, 使直线、平 面等基本概念,在物理学中失去了它们的严格意义 一样,量子力学的形式体系所反映出的非分离性,无 疑已在一定意义上超越了许多传统的经典认识。因 此,无条件地接受量子力学所提供的非分离特征,自 然也是理解物理学发展的一种可能选择。 按照霍华德的这种理解方式, 在量子系统的测 量过程中,不论测量结果是违背分离性假设,还是违 背定域作用假设, 都将被视为是非定域性的。或者用 逻辑的语言来说,定域性概念是分离性假设与定域 作用假设的合取, 只要其中一个假设不能得到满足, 就会导致非定域现象的产生。这样,一个非定域的系 统将可能以三种不同的方式来理解: 非分离的、定 域作用的系统;分离的、非定域作用的系统;非分离、 非定域作用的系统。霍华德举例说,量子力学是定域 的、非分离的理论; 玻姆的量子论是分离的、非定域 的理论;广义相对论是分离的、定域的理论。但是,他 没有指出非分离、非定域的理论。目前,霍华德的这 些观点还没有得到学术界的普遍认可。但是,尽管如 此,应该承认,他的工作无疑在更深的层次上激发了 人们研究贝尔定理和非定域性概念的热情。 弗伦奇 ( Steven French ) 认为, 霍华德的结 论——EPR/贝尔的语境中不是隐含着非定域性,而 是隐含着失去个体性的分离性——是不合理的,因 为这种结论完全有可能强调量子粒子在经典意义上 是独立的个体。[ 13] ( P1 22)还有一种观点是从定义 了参数的独立性和结果的独立性两个不同概念出 发,认为需要对霍华德的观点加以适当的限制。因为 玻姆的理论违背了参数的独立性,但是,却满足结果 的独立性。所以,应该把玻姆的理论分类为是非定域 和非分离的理论, 而不是分离的非定域的理论。[ 14] ( P309 329)目前, 这些争论虽然还在继续当中, 远远 没有达成共识。但是, 一种总的发展趋势是,大多数 物理学家总是喜欢把量子非定域性,理解为是量子 的非分离性。他们认为,量子论中的非定域性并不一 定等于是证明了微观信息的超光速传播。这种观点 在解释 A-B效应的实验语境中,表现的更加明显。 三、A-B效应中的非定域性 A -B 效应是由玻姆和他的学生阿哈拉诺夫于 1959年先于任何实验证明, 作为量子力学的一个理 论推论所提出的一种物理学效应。[ 15] ( P485 491)早 在1960年就有人首先在实验中观察到这种效应。后 来, 经过一系列的重复实验, 直到 1986 年托诺莫那 ( A. T onomura)等人所完成的实验,才被认为是对 A -B 效应的最可信的证据。[ 16] ( P792 795)这个实验 的结果与检验贝尔不等式的实验一样, 也证明了量 子论具有明显的非定域性特征。所不同是, A-B 效 应所表现出的非定域性比贝尔不等式揭示的非定域 性更加直接和更加直观。 阿哈拉诺夫和玻姆最初提出 A-B 效应的基本 思路是, 他们认为,在经典电磁学中, 场作用于带电 粒子将会产生力的作用,并且只有电场强度 E和磁 场强度B才能对粒子产生作用力, 标势 U 和矢势 A 是没有任何物理意义的辅助量。但是, 在量子力学 中, 求解薛定谔方程所得到的解中却只出现标势 U 和矢势A ,而没有出现场强E 和B。由此,他们设想, 能否寻找到一个具体的事例, 使B= 0, E= 0,而 A≠ 0, U≠0,然后,看矢势 A 和标势 U 是否比场强 B和 E包含有更多的信息,或者说,有无更多的可观察的 物理效应出现。 他们认为,如果 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 是肯定的, 那么,说明 A 和 U 是比 B和 E更基本的物理量; 如果答案是否定 的,那么, 经典粒子只能感受到场强 B和 E的作用。 于是,他们在熟悉的双缝干涉实验中,利用无限长的 螺线管,来求解一束电子散射的薛定谔方程时发现, 如果放置在两个狭缝后面的无限长螺线管没有电流 通过,那么,将会在屏幕上观察到一个非常熟悉的双 缝干涉图样。但是,如果让电流通过螺线管,或者说, 螺线管中有表面电流 I 通过,这时, 按照电磁学的规 律,将会在螺线管内部产生一个平行于双缝 Z 方向 的恒定磁场 B, 或者说, 磁场 B被围禁在螺线管内 部,而在管外 B= 0。结果在屏幕上原先的整个干涉 图样发生了移动,这种效应被称之为A -B效应。 问题是,应该如何解释这种实验现象呢?如果按 照经典物理学中的传统理解方式,认为磁场 B是真 实的物理场, 而矢势 A只是作为方便地描述磁场的 一种数学工具的话, 那么, 当电流通过螺线管时, 只 能是螺线管内部的磁场, 对位于螺线管外面的电子 的运动行为产生了影响。很显然,对这种影响只能作 13量子非定域性概念的哲学内涵与意义 出非定域的解释。阿哈拉诺夫和玻姆否定这种理解 方式。因为他们注意到,在从狭缝到屏幕的区域内, 虽然螺线管外面的磁场强度 B处处为零, 而矢势 A 却不管是在螺线管的内部, 还是外部都不等于零。这 说明, 在量子力学中, 矢势 A本身是一种真实的物 理场。如果能够认为矢势 A是一个真实的物理场, 那么,可以推论,干涉图样的移动是由螺线管外面的 矢势 A和电子之间的完全定域的相互作用所引起 的。早在 20世纪 60年代,这种观点通过物理学家费 曼的著名讲座,得到了物理学家的普遍认可和广泛 传播。[ 17] ( P86) 然而,问题在于,按照物理学中物理量的规范不 变性的要求, 所得出的结论是, 把矢势 A看作是一 个真实的物理场的观点是难以成立的。因为在 A-B 效应中,与磁场 B和相位差 � 不同, A不是规范不 变的,满足规范不变性要求的是 A的环路积分。即 ∮A �dr = ! 如果坚持认为矢势 A 在某些方面表征了真实的物 理场, 那么,通过严格的数学推论所得出的结论是: 矢势 A的规范依赖性排除了对 A-B 效应的定域性 说明。或者说,“电子与螺线管外面的磁矢势 A之间 直接的定域相互作用, 不可能产生干涉图样的移动。 这样, 如果接受矢势 A的物理实在性,那么, 就应该 放弃对 A -B 效应的定域性解释; 而如果否定了矢势 A的物理实在性, 那么, 将意味着更不可能对 A-B 效应提供任何定域性的解释。”[ 18] ( P18 41) 或者 说,不论是把磁场 B看成是实在的, 还是把磁失势 A 看成是实在的,从经典的理解方式出发,只能对 A-B 效应作出非定域的解释。 托诺莫让等人在完成了证实 A -B效应存在的 实验之后,所得出的结论是,既然电子通过通电的无 限长螺线管附近时, 没有受到洛伦兹力的作用, 那 么, A-B效应显然完全是一种量子力学效应。那么, 既然如此, 对 A-B效应的解释就不应当完全运用经 典的认识方式来加以理解。如果把电子看成是经典 粒子,在双缝干涉实验中,电子在通过磁场为零的区 域时,产生了改变双缝干涉图样的物理学效应, 很明 显是违背了定域作用假设, 因而,必然会得出超距作 用或超光速传播的解释。阿哈拉诺夫和玻姆选择用 矢势 A取代磁场 B的理解方式,虽然能够避免出现 超距作用的困惑,但是, 由于 A的规范依赖性, 使得 把 A理解为是真实场的想法事实上是难以实现的。 现在, 物理学家所采用的对磁场的另一种理解 方式是由物理学家吴大骏和杨振宁于 1975年所提 出的。在这种理解方式中, 他们既不使用电磁场术 语,也不使用一般的矢势概念,而是运用狄拉克相因 子对电磁场的分析方法。[ 19] ( P3845 3857)在已有的 所有事例中,这种分析法已经被公认为是,对电磁场 的完备而精炼的一种描述法。当把这种方法应用到 A -B 效应的语境中时,可以得到, 在螺线管通上恒定 的电流之后,螺线管内将会产生恒定的磁场, 与此相 应, 在空间围绕螺线管的闭合曲线 C 之内, 所产生 的相因子是: S ( C) = exp - ∀e h∮A�dr 其中, A是在时空 r处的电磁势, e是粒子的电量。 与场强和矢势的性质所不同, 狄拉克相因子 S ( C)不是在特定的时空中加以定义的。只要给螺线 管通以电流,虽然在管外面的磁场为零,但是, 在围 绕螺线管的任一闭合曲线 C 以内, 相因子并不等于 零。并且因为相因子 S ( C)满足规范不变性要求,所 以,可以认为,相因子 S ( C)是真正的物理量。这样, 电磁学效应的出现可能与不可消失的相因子有关。 相因子与电子的相互作用没有违背定域作用假设。 在这种情况下, 希利( R. Healey )将爱因斯坦在不完 备性论证的语境中,所定义的分离性假设进行了实 验语境的转换。通过这种语境转换, 把 A-B效应的 实验语境中的非定域性现象, 与检验贝尔不等式实 验语境中的非定域性现象一样,也归结是违背了分 离性假设而导致的。 希利认为, 爱因斯坦所描述的定域性条件,实际 上是广泛应用的一般的定域性观念的一个推论。这 个一般的定域性观念是, 物理过程演化的唯一性。希 利从如何才能在特定的时空中,确保物理过程发生 的唯一性出发,把分离性假设定义为: “在特定的时 空区域 R 内所发生的任何一个物理过程, 都是对区 域 R 内任一时空点的特定的内在物理属性的一种 附随表达。”意思是说,在区域 R 内的任一时空点都 具有相同的特定的内在物理属性,如果把这种特定 的内在物理属性添加到 R 的几何结构当中,那么, 在区域 R 内,物理过程只能以一种方式发生; 把定 域作用假设定义为: “如果 A 与 B 是在空间上分隔 开的两个客体, 那么, 对 A 所施加的外部影响不可 能对 B 产生直接的影响。”意思是说,这种影响是需 要通过一定的连续媒介来传递的。 以这种定义为前提,希利开始考察在 A -B效应 的实验语境中, 描述磁场的相因子 S ( C)是否表述了 14 清华大学学报(哲学社会科学版) 与曲线 C 相对应的空间区域的内在物理属性的问 题。希利得出的结论是,相因子的规范不变性特征, 已经得出了肯定的答案。但是,由于相因子不是在时 空中加以定义的,说明这些内在属性并不是对相关 区域内时空点的特定的内在物理属性的一种附随表 达。所以, 与 A-B效应相关的磁场构成了一个非分 离的过程。这样就证明了, A-B 效应中的非定域性 违背了分离性假设,而不是定域作用假设。希利把上 述定义应用到检验贝尔不等式的实验当中, 所得出 的解释是,一个处于“纠缠”态的量子系统的内在物 理属性,不可能附加到它的组成部分当中,因此,同 样可以对这类实验作出定域作用的、但却是非分离 的解释。这样,希利从一个更加普遍的视角和定义出 发,把对 A -B 效应的非定域性现象的解释,与霍华 德对检验贝尔不等式的解释统一了起来, 并且进一 步加强了把量子论中的非定域性理解为是指定域 的、非分离性的观点。 四、结  语 在量子物理学界把非定域性理解为非分离性, 把量子力学理解为是一种非分离的理论的看法,只 是到目前为止的一种主要趋势。在没有否定信息的 超光速传播的肯定性证据出现之前,就像物理学家 已经确立了场的观念之后, 仍然有一些人坚持为“以 太”的存在寻找证据一样,为信息的超光速传播提供 证据的各种各样的努力,也一直在非主流的理论物 理学研究中进行着。因此,关于量子非定域性概念的 内涵与意义的讨论,还远远没有结束,它将会随着量 子物理学的发展而逐渐地得以澄清。 参考文献: [ 1] D ieder ik Aer ts, Jurkstaw Pykacz cedit or s. 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B eij ing Al lied Univer sity , Beij ing 100101, China) Abstract: Init iating the social dom inant v alue is the key of cul tural and ideolog ical pr ogress, how ever, it is a dialect ical unity to init iate the social dominant v alue and respect the individual value. So how to deal w ith the relat ionship between them is the theo rat ical base o f alltural and ideolo gical pr ogress. Key Words : value; individual value; dialect ical unity (上接第 15页) The Philosophical Connotation and Meaning of Quantum Nonlocality CHENG Su-mei ( Research Center f or Philosophy of Science and T echnology , Shanx i University , Taiyuan 030006, China) Abstract: T his ar ticle reveal systemat ical ly the connotation and meaning of quantum nonlo cality, on the base of inv estig ating the assumpt ion of Bell 's theorem and the not ion of Einstein's locality and himself argument about the incompleteness of quantum mechanics, together w ith the development background of Tonomura-Bohm effect . Key Words : Bell' s theorem ; lo cality; nonlocality ; nonseparability 22 清华大学学报(哲学社会科学版)
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