Jan 20 2011

王国文:最新评论

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王国文教授的最新评论

      《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》书中提到:“即使超距作用最坚定的支持者也不得不承认,至今还没有一个实验确定无疑地证实了超距作用的存在”,这说明执笔人是一位十分诚实的学者,决不在关键之处打马虎眼。

      爱因斯坦的幽灵或有或无,即非定域性或有或无,非此即彼,爱因斯坦的断言不可能有幽灵隔空作用。那么是如何无中生有的呢?1952年玻姆称他发现的量子势的作用是非定域的,1964年贝尔称他发现的不等式表示量子力学与定域性不相容,1981/1982年阿斯派克特等的实验结果与量子力学的预半夜凉初透言相符,而通过贝尔不等式推论爱因斯坦的定域实在论思想是错误的。这样,对一些实验事实因贝尔不等式被过多联想和推论(节外生枝),盲目编造出谎言,又把谎言当真,根据谎言再接连编出谎言,为了圆谎,谎言又越来愈多,一发不可收拾。这种盲目编造的谎言不仅广泛出现在学术论文中,并进入教科书,以致把量子物理学的发展和一代量子物理学家引向歧途,特别是使光量子信息技术研发成为奇特热门。他们也许原本想使量子力学更好地被理解,实际效果刚好相反,物理学与巫术联姻会产生什么效果,这种联姻在科学史上绝无仅有。

      从相对论原理、爱因斯坦的分离性原则和对量子纠缠真莫道不消魂相的认识可以判断,实验实现量子隐形传态是弥天大谎,实验演示多光子纠缠是魔术,永远解不开的量子密码是假大空话,还有利用量子隐形传态的量子计算机也无望做成。据知,美国政府在新一轮科技计划中,已停止对光学量子信息处理(量子计算和量子密钥分配)研发的经费支持,那不无道理。

      无论任何信息或什么量子态或唯信息论中所谓的原物都绝无可能被隔空传送,任何东西的传输离不开载体或媒质,这是毫无疑问的。以量子非定域性和量子隐形传态为立论依据的项目列入国家863、973计划等有害无益,与科教兴国、富民强国的战略目标背道而驰。

      还有更为重要的,在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》中,与量子理论相关的有量子调控和纳米技术两项,其目标是实现跨越式发展和占领制高点。量子调控是指对单量子体系的调控,是对多量子系综统计性调控的跨越式发展。这个量子调控项目是在不知量子相干行为的起源,不知量子纠缠的真莫道不消魂相和不知量子-经典的边界情况下立项的,“十一五”中也没有直接针对这些方面的研究课题,所以还不足以体现量子力学基础的研究。“十一五”已经结束,“十二五”即将开始,在新一轮计划中应重视量子力学基础的研究。建议,在“十二五”的量子调控计划中,不要再资助那些明显出于对量子力学误解的研究,特别应排除一切以荒唐的非定域性为依据的研究课题,以杜绝继续在“十二五”名义下冠冕堂皇地出虚假成果。

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Dec 26 2010

王国文:评《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》

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王国文:评《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》

      [摘要]看来科学也有倒退的时候,暂时的倒退也许能引发一次新的跃进。现时世上居然传播着一条我们物理学家盲目编造的特大、特时髦的谎言:当测量一个粒子时,另一个与之关联的粒子会瞬时改变状态,无论它们相距多么遥远。这个隔空联动情况称非定域关联,常称非定域性。谁知竟不断有圆谎实验演示震惊世界,而且喋喋不休鼓吹成就斐然。著名瑞士物理学家尼古拉·吉辛夸口:“未来的科学史家将把我们的时代描绘为非定域性伟大发现的新纪元。”著名奥地利物理学家安东·泽林格根据非定域性相关的理论和自己的实验结论预半夜凉初透言:“也许一千年后真的能够隔空传送一只咖啡杯。”爱因斯坦曾称之为幽灵隔空作用和传心术,薛定谔直指之为巫术,连最信非定域关联的查尔斯·贝内特都坦言它像伏都教的通灵术。可怕的是,这条编造的谎言泛滥于各种媒体,包括顶级学术期刊、教科书和科普读物。很遗憾,郭光灿院士担纲撰写的《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》一书,也宣扬错误的思想、错误的概念和错误的理论,以及宣扬虚假的实验事实,这恐怕会严重误导公众及误人子弟,有悖于芦笛曲丛书的出版宗旨,这套丛书肩负国家科技计划科普化的示范,不同于科幻书籍和消遣读物。我国科普法中有一条:“科普工作应当坚持科学精神,反对和抵东篱把酒黄昏后制伪科学”。不管打着什么样的科学旗号,宣扬幽灵隔空作用和隔空传送信息无异于宣扬传心术,老百姓都能判断,这种法术不折不扣属伪科学。量子力学是正确的,可以预期,这理论中导致伪科学兴起的某些错误推论,编造的实验,以及种种诡辩,都必定终将成为反面教材和世人的谈笑资料。为从根本上反对和抵东篱把酒黄昏后制这类伪科学,现在这篇文章中讲了对量子真莫道不消魂相的探究结果和对量子力学的理解,并指出对它的误解会引起许多谬误,如波函数坍缩假设的谬误、贝尔不等式的谬误、量子退相干纲领的谬误、量子态不可克隆定理的谬误和隔空传物理论的谬误。特别强调,量子纠缠决不意味着存在幽灵隔空作用,倒似乎暗示着真莫道不消魂相:“幽灵缠身、阴魂不散”,二者的关联是特别定域的。这个比喻的“幽灵”在物理上就是量子纠缠中另一个初包的不含峰片,这个论断合乎逻
辑,也很直观,重要的是消解EPR佯谬,也说明量子论与相对论无冲突,以及终结了爱因斯坦与玻尔在量子实在性和量子力学完备性问题上的争论。初包的不含峰片是一种准实体,一切量子现象中都有它们的身影,无它们就无量子世界和量子理论。描写微观粒子的初包模型是对量子力学的本体实在论诠释,这个模型综合了微观客体的波粒二象性质,根本上调和了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说的冲突。以上这些只是个人的见解,不过,即使没有这个模型,我们也可以像爱因斯坦和薛定谔等前辈那样,绝对不信自然界会有那种隔空联动情况发生。《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》书中也说:“即使超距作用最坚定的支持者也不得不承认,至今还没有一个实验确定无疑地证实了超距作用的存在”。这是真话,否认这点要么是搞错,要么糊涂,或者另有目的。在应用上,恐怕连“您好”这样一条最简单的信息也不可能隔空传送成功,不用再说别的。量子纠缠的非定域性不是一个谜,而是盲目编造出来的谎言,因此毫不奇怪,基于非定域关联的量子隐形传态、永远解不开的量子密码和量子计算等,过去实事一项无成,未来也无望会有任何成就。现在可以肯定,量子纠缠本身是一种特别的定域关联结构,而不是一种隔空联动效应,所以所谓量子的非定域性并非伟大的发现,而是一个世纪大谎言,务必彻底揭露之,并清算它的祸害,让量子力学基础的研究和量子信息技术的开发回归正道。如任其下去,可能会同其它巫术科学一样,有从愚蠢迈向欺诈的危险。钱学森大师曾经呼吁我们中国的物理学家和哲学家投入这非定域性的研究,无疑这是为基础科学和哲学发展作贡献的一个难得良机。


内容目录:
一.引言
二.评《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》
三.对量子力学的无佯谬诠释
  1.对量子干涉的无佯谬解释
  2.对量子纠缠的无佯谬解释
  3.对宏观物体经典性的无佯谬解释
  4.量子力学潜波诠释的意义
四.对量子态叠加性和海森伯不确定关系式的理解
  1.对量子态叠加性的理解
  2.对海森伯不确定关系式的理解
五.误解量子力学引起的谬误
  1.波函数坍缩假设的谬误 
  2.贝尔不等式的谬误
  3.量子退相干纲领的谬误
  4.量子态不可克隆定理的谬误
  5.隔空传物理论的谬误
六.结论


一.引言


      郭光灿院士担纲、高山执笔撰写的《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》于2009年9月出版,属北京理工大学出版社的“芦笛曲丛书”,为“十一五”国家重点图书出版规划项目和国家科技部科技计划科普化示范项目。据介绍,郭光灿现为国家科技部973项目“量子通信与量子信息技术”首席科学家,中国科学院知识创新方向性项目“量子通信技术的研究”首席专家,国家基金委创新群体学术带头人,中国科学院量子信息重点实验室主任。作为创作助手的高山,是悉尼大学科学史与科学哲学系博士研究生,专业方向为量子力学基础。


      科学时报的一位记者报道:“《爱因斯坦的幽灵》介绍了让全球科学家着迷不已的、最为神秘的量子纠缠现象,让我们看到了科学家们试图揭开量子纠缠这一跨世纪谜团的探索之路,更让我们明白了这小小的量子纠缠正在当今世界大显身手——从量子密码到完全保密的量子通信,从量子计算机到未来的量子互联网……。”“郭光灿院士说,在范春萍向他提出这件事以后,考虑到量子纠缠之谜是一个非常深刻的问题,是当前一个非常重要的研究领域,可以借此机会给所有对此感兴趣的人讲清楚什么是纠缠,于是就毫不犹疑地答应了。”“关于科学家的科普责任,郭光灿说,中国所有的科学家、科研工作者都应该有这种意识,将科普工作当做自己科学研究工作中的一部分,视为自己的责任。科学家是拿着纳税人的钱在做科研,从而取得成果。除了取得成果,应该还对纳税人即百姓有所交代,对公众讲理论、最新进展,给公众释疑解惑,其次也是提高大众的知识水平。”


      此书的执笔人是高山,一位奋发研究量子力学基础的学者。量子力学的诠释纷纭,作为探讨,他过去的专著难能可贵、不乏价值。不过,科普书不同于专著,加之此书撰写由郭光灿院士担纲,非同凡响,因此很有必要进行评论和激起争论。的确,写本科普读物很不容易,要照顾权威性、思想性、真实性、知识性、趣味性和可读性,愿意写和有时间写的专家少之又少,特别是涉及艰深难懂的前言科技,作者的费心和辛苦更不用说了,他们理应倍受尊敬。现下这篇评论与其说是针对《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》,不如说是针对令人心焦的严重事态,我国已成为幽灵隔空作用的重灾区,严重浪费着资源和阻碍创新,恐怕不宜再这样下去了。


二.评《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》


      对书名:《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》
      此书名提示,爱因斯坦的幽灵是量子纠缠之谜。书中介绍科学家们试图揭开量子纠缠这一跨世纪谜团的探索之路,特别宣称:“微观粒子之间的确存在某种超越时空的量子纠缠,而基于这种纠缠对一个粒子的测量将会瞬时地影响另一个粒子。爱因斯坦曾将这种影响称为“幽灵般的隔空作用”,以表示他坚定的不相信,然而,实验告诉我们这种超距作用是真实存在的。”
      点评:至今没有一个实验确实证明超距作用真的存在,因此谈不上爱因斯坦的幽灵是量子纠缠之谜,此书名就有误导之嫌疑。


      对引言:“从伯特曼先生的袜子说起”
      引言介绍称,贝尔发现微观粒子之间存在着神秘的关联,贝尔的发现被认为是20世纪科学最深远的发现之一。
      点评:贝尔的这个所谓发现和被承认,是20世纪物理学上犯一个特大错误的开始。


      引言中谈到:
      “伯特曼喜欢穿两种不同颜色的袜子,并且每只脚上穿的袜子的颜色都是随意的。但是两只袜子的颜色之间总存在一种关联。当看到他一只脚上穿的是粉红色的袜子时,便可确定他另一只脚上的袜子不是粉红色,而不必去实际看一下。...它们的颜色关联源于过去的一个共同原因,那就是伯特曼先生的决定。这种关联在宏观世界中司空见惯,没什么奇怪的。”“20世纪60年代,贝尔发现,微观粒子之间存在着更为神秘的超光速关联。当测量一个粒子时,另一个与之关联的粒子会瞬时改变状态,无论它们相距多么遥远。...他设想微观粒子只是更小的小球,它们具有确定的性质,正如袜子具有确定的颜色一样,不论观察与否。而当两个小球相互作用后分开很远时,它们之间也不存在瞬时的关联和影响。当测量一个粒子的状态时,这种测量影响只能以有限的小于等于光速的速度传播,并经过一定延时后才能达到另一个粒子。然而,让贝尔惊奇的是,由这些最自然不过的假设所导出的结论(一个简单的不等式)却与量子理论的预半夜凉初透言相矛盾!推导中用到的逻辑和数学都是严格的,不会有问题;而量子理论是迄今为止人类关于自然的最基本的理论,它已经为大量实验所验证,也不应当怀疑。的确,物理学家们很快证实,贝尔不等式直接与实验结果相矛盾。因此微观粒子之间确实存在某种超越时空的神秘纠缠,这种纠缠是伯特曼的袜子所不具有的。”


      我们知道,1981年贝尔发表了一篇文章“伯特曼的袜子和实在的本性”,他问,EPR难事(EPR business)正好是与伯特曼的袜子关联一样的吗?他发现微观粒子间的纠缠不能用这样的关联方式来解释,因而认为量子纠缠不是出于过去的一个共同原因。我们现在设想,假如伯特曼的妻子把他的一只粉红色袜子和另一只蓝色袜子各前后剪开,不同颜色的两半缝在一起。这时当贝尔与伯特曼碰面时,看到他左脚上的袜子是粉红时,断定右脚上的一定是蓝色。可是当他一转身,贝尔跟在后面看到他左脚上的袜子竟变成蓝色,这时可以断定右脚上的一定是粉红色。贝尔觉得十分奇怪,但终于找到了EPR难事的“答案”,其中的关联不是出于过去的一个共同原因,必有一种神秘的影响在起作用。当然,假如贝尔知道伯特曼的妻子耍的花招,就一定不会感到奇怪了。这样说来,量子纠缠的奇特性不是体现在互相的神奇关联上,而是体现在一种重新安排的结构上,如伯特曼之妻耍了的花招。薛定谔认为:“任何发生的“预半夜凉初透言的纠缠”显然只能归于这个事实,即这两个物体在较早的某个时候形成真实意义上的一个体系,而且二者已经留下各方的印记。”因此完全可能,量子纠缠同样是出于过去的一个共同原因,详见后面的节三.2。关于贝尔不等式的推导,虽然看来前提简单、明确,逻辑和数学严格,因结论奇怪,所以我们必须严密审查前提中是否还包含着其它默认的假设。其实,贝尔不等式的推导除标明的前提外,还有一个想当然的、默认的假设:量子力学的观察量是潜变量的统计平均值,即假设潜变量有一个概率分布,也就是说,贝尔利用了经典的概率理论,这是一个致命的错误,所以贝尔所发现的超距关联不是真的事实,详见后面的节五.2。


      对第一章:“幽灵出世”
      这章首先介绍了量子纠缠问题的起源和它的神秘性所在,接着提出,如何理解纠缠过程中存在的超距作用?
      点评:超距作用子虚乌有,不存在如何理解它的问题。


      这章中谈到:
      (1)“尽管爱因斯坦坚定地认为微观世界依然如此[像宏观世界一样平淡无奇],量子理论却预半夜凉初透言微观粒子之间存在一种超越时空的无缝纠缠。”
      (2)“例如,在一次实验中,在相互作用后1秒时测量两个电子的位置,结果分别为-1.59米和0.41米;而在另一次相同的实验中,在相同的时刻测量两个电子的位置,结果却是-0.17米和1.83米。这里,我们设定两个电子分开时的位置为坐标原点0。尽管在相互作用后1秒时测量两个电子的距离总是确定的2米,但每个电子的位置却是不确定的、随机的。此外,尽管两个电子的速度测量值总是大小相等、方向相反,但是其数值同样是随机的。例如,在一次实验中,测量两个电子的速度,结果分别为-1.12米/秒和1.12米/秒;而在另一次相同的实验中,两个电子的速度测量值分别为-0.91米/秒和0.91米/秒。这种随机性是一个意料之外的新现象。无论使用多么精确的测量仪器,都无法消除这种随机性。于是我们发现,两个经过一定相互作用之后分开的电子之间存在着一种随机相关性,而不是像小球那样的确定相关性。这种随机相关性似乎比确定相关性更强,从而暗示电子之间的纠缠会更加紧密。”
      (3)“阿斯派克特等人在实验上令人信服地证明了量子非定域性的存在。”
      (4)“贝尔最初是想利用爱因斯坦所坚持的定域实在图像来解释EPR实验,然而,他却意外地推导出一个不等式,并建立了不可能性证明。贝尔发现,任何与量子力学具有相同预测的理论将不可避免地具有非定域性特征。这个结论被称为贝尔定理。具体地说,量子力学预半夜凉初透言在相互纠缠的微观粒子(如电子、光子等)之间存在某种非定域关联;如果对其中的一个粒子进行测量,另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响,并发生相应的状态变化,无论它们相距多远。至今贝尔定理已得到大量实验的证实。”
      (5)“必须承认,尽管量子物理学家可以计算和应用量子纠缠,他们至今仍不理解其背后的神秘机制。本书的主要目的就是要探究这个最深邃的世纪谜题。”
      “神秘性之一:纠缠的主体是什么?究竟是谁在纠缠?
      神秘性之二:纠缠是如何形成的?纠缠的形式究竟是怎样的?
      神秘性之三:纠缠能被解开吗?怎样才能解开纠缠呢?
      神秘性之四:如何理解纠缠过程中存在的超距作用?它和相对论又如何结合呢?”


      对于(1),量子力学在形式上好像预半夜凉初透言了微粒之间存在一种超越时空的无缝纠缠,如果量子力学不是一个对实体的完备描述理论,则它实质上不一定意味着这纠缠是超越时空的。爱因斯坦在1946年写的“自传笔记”中把超距作用比作传心术,不信自然界存在这样的作用。他不满意波多尔斯基执笔的EPR文章,在自传笔记中细述了对量子力学描述不完备性的论证。他写道:“现在在我看来,我们可以谈论部分体系S_2的实在的真实状况。关于这个实在真实状况,在对S_1的测量之前,我们开始知道的比对psi函数描述的体系知道的甚至更少。但是,依我之见,我们应绝对坚持一个假设:体系S_2的实在状况无关于对远离的体系S_1做了什么。可是,按照我对S_1所做的测量类型,对第二个部分体系我得到一个很不同的psi_2(psi_2,psi^1_2,...)。然而现在,S_2的实在状况必定无关于在S_1上发生了什么。因此,对于S_2的同样实在的状况,按照我们的选择,可以发现psi函数的不同类型。(我们可以避免这个结论,仅当要么假设S_1的测量(传心术般)改变了S_2的实在状况,要么否认彼此远离事物的独立实在状况本身。二者似乎对我都是完全不能接受的。)[这里用符号^表示上角标,用符号_表示下角标]”“眼前这个理论的统计特性因此必应是这个体系在量子力学中的描述不完备的后果,而且不再存在任何理由假设物理学的未来基础必须建立在统计学之上。”爱因斯坦在1947年3月给玻恩的信中称非定域作用为幽灵隔空作用。信中说:“我不能虔诚地相信[这量子理论],因为它不能与这个思想调和,即物理学应当表示时空中的实在,无幽灵隔空作用。”其实,这理论是可以虔诚相信的,他对它有一个误解,量子力学并不与“物理学应当表示时空中的实在”的思想矛盾。他以违反分离性原则论证它的不完备性未切中要害,尽管它的确是不完备的。实际上存在能再现量子力学预半夜凉初透言的潜(波)变量理论说明,量子理论实质上并未预半夜凉初透言微观粒子之间可能存在的纠缠是超越时空的,自然界也不真的存在超距作用,详见后面的节三.2。
      对于(2),所举的例子与纠缠无关,是一个遵守海森伯不确定关系式的例子:合成体系的质心位置与总动量满足不确定关系式。一对电子作为合成体系,如果合成的动量是0,则质心的位置是不确定的,例在第一次测量情形中,质心在(-1.59+0.41)/2=-0.59米处,在第二次测量情形中,质心在(-0.17+1.83)/2=0.83米处。那句话“这里,我们设定两个电子分开时的位置为坐标原点0”应删掉。
      对于(3),由于贝尔不等式的谬误,称阿斯派克特等人实验已证明量子非定域性存在,是以讹传讹。阿斯派克特在2007年《Nature》上发表的一篇文章中终于承认,否定定域性不是他们的实验的逻辑结论,至今也未见有非定域性存在十足可信的证据,详见后面的节五.2。
      对于(4),至今对贝尔不等式和贝尔定理的质疑或反对声不绝于耳,尽管支持者为数众多,许多量子信息科学专家也常用这类不等式作量子纠缠和幽灵隔空作用存在的判据。其实,如前所述,在贝尔不等式的推导中有一个错误的默认假设:量子力学的观察量是潜变量的平均,即假设潜变量有一个概率分布,如果有潜变量存在的话。玻姆有过这种假设,他在1952年的文章“用潜变量的量子理论建议诠释(Ⅰ)”的第3节“批评量子理论的通常诠释”中写道:“通常的诠释固然是一致的;但是,这样的一致性的仅仅展示,并不排除有其它一致的诠释的可能性,它们会涉及附加元素或参数,它们允许全部过程的详细因果的和连续的描述,而不要求我们放弃以精确术语构想量子层次的可能性。从这通常诠释看来,这些附加元素或参数可以成为“潜的”变量。事实上,以前,每当我们求助了统计理论,我们总是最终发现控制统计系综个体成员的定律可以用就是这样的潜变量表达。例如,从宏观物理看,个别原子的坐标和动量是潜变量,在大尺寸体系中它们只作为统计平均显现。因此或许,我们现在的量子力学平均类似地是潜变量的表现,然而它们还未被直接探测到。”其实,量子力学的潜变量不是粒子的坐标和动量等,已经发现有一种潜(波)变量理论能够再现量子力学的预半夜凉初透言,详见后面的节三.1。贝尔以为他考虑的潜变量已穷尽一切潜变量的类型,其实他疏忽了一类潜波变量,而且假设潜变量有一个概率分布,这个默认假设是一个原则性、根本性错误。因此,贝尔不等式和贝尔定理无科学意义,详见后面的节五.2。
      对于(5),其实,纠缠中不存在超距作用,因而量子纠缠这个事实和相对论并不冲突,详见后面的节三.2。


      对第二章:“失落的世界”
      这章详细介绍了人们试图揭开量子纠缠之谜的各种努力。首先试图用人们最熟悉的经典图像来解释量子纠缠现象,这是爱因斯坦所选择的道路。分析显示,牛顿和爱因斯坦所珍爱的经典世界已成为一个失落的世界,它不是真实的。称当越来越多的精确实验不断显示超距作用的存在时,九泉之下的爱因斯坦会作何感想呢?
      点评:称实验不断显示超距作用存在,是以讹传讹。


      这章中谈到:
      (1)“让我们仔细检查一下超距作用存在的推理,就像大侦探一点点寻找蛛丝马迹一样。一个确定无疑的结论是:测量结果之间的随机相关性不可能全部来自被测量的粒子,而必然部分来自测量过程。但由此结论继续前进时,我们利用了一个隐含的假设,那就是:对两个粒子的异地测量之间是相互独立的。如果这个假设是对的,那么我们就会到达神秘的量子纠缠世界,那里有幽灵般的超距作用。”“尽管超距作用的存在从理论推理上看似乎没有什么问题,但是实验上会不会有漏洞呢?即使超距作用最坚定的支持者也不得不承认,至今还没有一个实验确定无疑地证实了超距作用的存在。”
      (2)“尽管爱因斯坦最早注意到微观世界中可能存在超距作用,他却不愿意接受它,并斥之为“幽灵般的超距作用”。然而,任何伟大人物都不得不在经验面前低头。当越来越多的精确实验不断显示超距作用的存在时,九泉之下的爱因斯坦会作何感想呢?作为一个有理性的人,他一定会接受的。”


      对于(1),虽然对纠缠粒子的相关测量结果符合量子力学的几率性预半夜凉初透言,在逻辑上,也不能把相关性归于必然部分来自测量过程,而排除来自过去某个共同原因的可能性,犹如前面讲过的伯特曼之妻耍的花招。又例,东乡的书记兼任了西乡的乡长,西乡的书记兼任了东乡的乡长,则就会发生书记一感冒,乡长就打喷嚏的事,这种纠缠就是源于过去的一个共同原因,而不必归于随机的那个“感冒”和超距作用。毫不奇怪,至今还没有一个实验确定无疑地证实了超距作用的存在,原来量子纠缠本身是一种特别定域的结构,而不是一种隔空效应。关于量子纠缠的真莫道不消魂相,详见后面的节三.2。
      对于(2),对已故者是不宜过多说三道四的,既然书的作者说了,我们也不得不说点看法。硬说爱因斯坦注意到“微观世界中”可能存在超距作用,在九泉之下的他,定会怒发冲冠。事实是,他注意到,如果认为量子理论对实在的描述是完备的,则这个“量子理论”就意味着存在超距作用,他和合作者(EPR)原来是用分离性原则来反证量子力学的描述不完备。再说,对于“越来越多的精确实验不断显示超距作用的存在”的说法,有理性的他一定会嗤之以鼻。不错,任何伟大人物都不得不在经验面前低头,但决不会在靠不住的经验面前俯首贴耳,反之,会用理性去探究事情的真假。不过的确,由种种量子现象启示,我们对这个自然界的传统认识有很大缺陷,某些经典概念必须加以改变和需要补充新的概念。量子力学不仅正确,而且“清白”,决不会与隔空联动的巫术联姻。


      对第三章:“迷雾重重”
      这章介绍人们离开经典世界后理解量子现象的第一次努力,即玻尔的互补性思想。称它实际上是一团迷雾,拒绝对现象背后的实在进行更深层次的探究。书的作者强调量子纠缠意味着微观世界不可能像宏观世界那样是确定的。
      点评:量子纠缠并不意味着微观世界是不确定的。


      这章中谈到:
      (1)“离开失乐园,我们已经无法回头;微观世界不可能像宏观世界那样是确定的,因为在确定性的世界中不存在量子纠缠。”
      (2)“我们首先要查明纠缠者的真实身份。微观粒子究竟有什么超能力可以产生最紧密的量子纠缠呢?这件事看起来似乎很简单,但却是世间最难的难事之一。”“在玻尔看来,根本不存在纠缠者,更不用说纠缠。”“玻尔承认,对粒子1的测量不会立刻对粒子2产生任何力学干扰。但是他认为对粒子1的测量还是会对粒子2将来行为的预测产生某种影响。”“玻尔是坚决反对有超距作用存在的,他也从未提到过非定域性之类的东西。”
      (3)“令人不可思议的是,对于微观粒子这些神秘的纠缠者,既具有粒子表现,又具有波动表现。”“关于“同时”的偏见也一直在阻止人们去发现粒子通过双缝的客观运动图像。”“在双缝实验中,由于两条缝的缝长都是有限的,粒子通过双缝是需要有限时间的,而不是瞬间的零。因此,“同时”应包括无穷小时隙和极短的有限时隙,而不只是同一时刻。尽管从表面上看,当论及时间长度时它们是可以等同的,但从粒子运动的角度来看它们则有本质的区别。具体地说,同一时刻只能容纳粒子自身的存在,无法包含运动的成分,而无穷小时隙和极短的有限时隙则包含了不可数无穷多的时刻点,这足以引出像运动这么丰富的内容,从而它们可以包含粒子和运动双方并使之作为粒子运动的整体而存在。”“无论如何,只要我们发现不同于连续运动的新的运动图像,那么的“坚持认为[一个物理量只有被测量之后才是实在的]”将不攻而破,而我们也会为微观世界重新找回爱因斯坦期待已久的实在性。记得他曾像孩童般天真地企盼:“新思想要到什么时候才会出现呢?谁要是能活到那个时候并且能够看到这一点,那该是多么幸福啊。”只有到那个时候,神秘的纠缠者才会最终现身。”


      对于(1),事实上,说我们已失确定性世界的乐园,无确切根据,不能只因量子力学的几率性预半夜凉初透言能力而放弃因果决定论,也没有理由能够断言量子纠缠来源于根本不确定性。狄拉克说:“我认为很可能在将来的某个时候,我们会得到一个改进了的量子力学,使其回到决定论,从而证明爱因斯坦的观点是正确的。”
      对于(2),似乎应该说,在玻尔看来,不能谈论量子干涉者,虽然量子干涉现象存在,也不能谈论量子纠缠者,虽然他认为量子现象有不可分析的整体性。玻尔在反驳EPR论证的文章中称他们(EPR)的实在性概念是含糊的,含糊在无任何扰动上,称虽无力学扰动,但不免有与测量条件相关的影响。他认为爱因斯坦的“态”概念与量子力学中态的概念不同是EPR佯谬的来源,他在1939年的一篇文章中提到:“事实上这个佯谬能在量子力学形式体系中找到圆满的解答,按照此体系,关于同这个物体曾接触过的分离的那个物体,没有“态”概念的任何明确使用被允许,直到涉及这个概念的定义的外部条件明确地被对这个从属物体的进一步适当控制所确定。”看来,玻尔的粒子状态的定义发生变化的思想与纠缠前后粒子的编号变化情况倒是一致的,详见后面的节三.2。。
      对于(3),用微粒细分时隙随机通过双缝解释量子干涉,过于不可思议。关于神秘的纠缠者,很可能,引起量子纠缠的是一种神秘的准实体——初包的不含峰片,它在宏观世界里从不现身,而在微观世界里处处作怪。


      对第四章:“坍缩之路”
      这章带领读者踏上真实的量子坍缩之路。以通俗易懂的语言介绍了量子理论对量子纠缠现象的描述和解释,不确定性在这里被清晰地展现出来。
      点评:波函数不会坍缩,带领读者踏上量子坍缩之路是误导。


      这章中谈到:
      (1)“尽管自然决不会轻易显露量子纠缠的秘密,但无疑我们已经找到了一条正确的道路[坍缩之路]。”“最重要的是,冯·诺伊曼还第一次清晰地提出了波函数的两种演化过程:一种过程就是波函数正常的连续演化过程,遵循薛定谔方程。它产生波粒二象性中的微观粒子似波的表现,可以说是不确定本身的演化过程;另一种过程则是瞬时的、非连续的波函数坍缩过程,只在波函数被测量时发生。它产生波粒二象性中的微观粒子似粒子的表现,是从不确定到确定的演化过程。但这一过程的机制并不清楚,故后来被称为波函数坍缩假设。我们将看到,第一种过程可以建立量子纠缠,而第二种过程解开量子纠缠。”“当测量仪器与被测电子发生相互作用后,测量仪器与被测电子的状态将发生量子纠缠。”“波函数坍缩过程神奇地解开了测量仪器与被测电子之间的量子纠缠。”
      (2)“在他的书中,冯·诺伊曼进一步讨论了导致波函数坍缩的可能原因,并猜测只有意识才能完成坍缩波函数的艰巨任务。冯·诺伊曼认为,测量仪器与微观粒子一样,也应当满足连续的薛定谔方程(毕竟测量仪器就是由微观粒子组成的),从而它的波函数同样需要其它有资格的“测量者”来坍缩。而由于人类观察者所意识到的结果总是确定的这一事实,所以只有意识才能最终坍缩波函数而产生确定的结果。然而,更多的物理学家并不相信波函数有足够的耐心,要等到人类的出现才发生坍缩,他们试图沿其它方向去探寻波函数坍缩的起源。”“那么,波函数是否真的会坍缩呢?如果坍缩,究竟是什么引起坍缩呢?波函数又是如何坍缩的呢?看来,为了了解神秘的纠缠世界,我们必须要经过最危险的坍缩之路。”
      (3)“目前,物理学家们仍在对波函数坍缩问题进行深入的研究。尽管通往真实世界的坍缩之路还很漫长,但我们已经对波函数坍缩了解了很多。我们知道,这个过程是动态的,而非瞬时完成的;不仅对于宏观物体,而且对于微观粒子,这个过程也在持续不断地进行。为此,波函数的演化将遵循一个新的修正的薛定谔方程,它可以将冯·诺伊曼的两种对立的演化过程统一起来。而对于波函数坍缩的起源,理论分析已经显示它很可能与引力和分立时空有关,而关于它的实验研究也正在进行之中。可以预计,在不久的将来,人们将会窥见波函数坍缩的真实面目。”


      对于(1),沿波函数坍缩去揭开量子纠缠的秘密不像是正确的道路,对量子纠缠真莫道不消魂相的认识详见后面的节三.2,对波函数坍缩假设的认识详见后面的节五.1和五.3。
      对于(2),首先要证明波函数坍缩确实存在,“再去试图沿其它方向去探寻波函数坍缩的起源”才有意义。其实,名副其实的波函数坍缩不是物理过程,波函数不会坍缩,详见后面的节五.1。
      对于(3),量子退相干理论及其变种称表观的波函数坍缩过程是动态的,其实,退相干理论无科学意义,详见后面的节五.3。量子测量结果的确定性也不意味着波函数的演化将遵循一个新的修正的薛定谔方程。


      对第五章:“超光速狂想曲”
      这章详细探讨了量子纠缠和量子坍缩所表现的不可思议的超距作用,那是一首令人激动的超光速狂想曲。一方是相对论对超距作用的最严厉的禁莫道不消魂令,另一方则是狂放不羁的量子坍缩的同时性。这引出了量子理论与相对论不相容的世纪难题。
      点评:纠缠量子的波函数不会发生超距关联坍缩,量子理论与相对论是相容的,超距通信无可能性。


      这章中谈到:
      (1)“量子纠缠最不可思议的性质就是它的非定域性,可以说,它是“滋生”超距作用的温床。本章我们将踏上非定域之旅,着重探讨超距作用的机制和物理本质。这种超越时空的神秘作用究竟是真实的,还是幻象呢?它的物理机制又是怎样的?利用它能实现真正的超距通信吗?说到超距作用,我们还不得不谈相对论,因为它是坚决反对超距作用存在的。那么,超距作用与相对论是否相容呢?如果不相容,又该如何解决它们之间的矛盾呢?这对于21世纪的物理学家而言,仍是一个巨大的挑战。”
      (2)“严格地说,上述论证[相对论]只证明了不可能通过加速使物体的运动速度超过光速,而并不能禁止物体通过其它方式使运动速度超过光速。”“连续运动本身无法提供瞬时的超距作用,而适用于连续运动的相对论又进一步禁止了任何超光速作用的存在。相比之下,非连续过程将自然包含一种不需通过空间连续传播的超距作用。那么,自然界中是否存在非连续过程呢?的确存在,那就是上一章介绍的波函数坍缩过程。”
      (3)“当量子非定域性的存在被证实之后,人们便很自然地想利用这种非定域过程来传递信息,从而实现超距通信。”


      对于(1),如果量子纠缠的性质根本是定域的,这种超越时空的神秘作用就不是真实的。其实,量子纠缠是特别定域的,详见后面的节三.2。
      对于(2),如果波函数不会坍缩,那么无需再去设想自然界中存在非连续过程和解释不通过空间连续传播的超距作用。其实,波函数坍缩假设是多余的,量子理论与相对论是相容的,详见后面的节五.1。
      对于(3),称量子非定域性的存在已被证实,是以讹传讹,详见后面的节五.2。


      对第六章:“掷骰子的上帝”
      这章介绍了量子理论的一种新的理解,并给出了量子纠缠之谜的一个可能答案。
      点评:上帝不是赌徒。


      这章中谈到:
      (1)“在微观世界中,粒子由于相互作用不断发生量子纠缠,而当这种作用延伸至宏观物体(如测量仪器)时,由于波函数坍缩过程的发生,即使最紧密的量子纠缠也将被解开。在这一坍缩过程中,非连续性被释放出来,从而产生了宏观测量结果之间不可思议的非定域关联。”“非连续性应当是整个世界的一个普遍特征,而它很可能也是解开量子纠缠之谜的金钥匙。”
      (2)“自由物体真的“不知道”它该向哪个方向运动,从而只能以完全随机的方式运动。位置的随机的变化意味着不同时刻的位置之间是相互独立的。例如,物体于一个时刻处于空间中的一个位置,而在另一时刻它随机地出现在空间中的另一位置。这个位置很可能与原来的位置不相邻。因此,物体的轨迹将不是连续的,而是非连续的。由于位置的变化一直是随机的,物体的运动轨迹将是处处非连续的。这样,物体总是从一个位置直接运动到另一个位置而不经过中间位置。总之,自由物体的运动本质上是非连续的、随机的。”“总而言之,运动没有原因,从而它必定是随机的。物体实际上是以一种随机的、非连续的方式在运动。因此,上帝真的掷骰子。”“如果电子的运动是非连续的,那么为了产生干涉图样它将会非连续地同时通过两条缝,而不是只通过一条缝。”“即使在一条缝处发现了电子,我们也不能说电子就一定只经过这条缝;...。”“粒子的运动本质上是非连续的、随机的。从粒子的角度看,它具有一种处于任何可能位置的倾向性。粒子在一个时刻处于空间中的一个位置,而在另一时刻它会随机出现在另一个很可能不相邻的位置。这是一幅粒子运动的时刻图像。在这幅图像中,粒子像一个生命体一样总是不停地在运动。它到处游荡,好像有自己的意志。”
      (3)“似波性的确是非连续运动的一个令人惊奇的性质:微观粒子竟然像波。但更令人惊奇的是,两朵粒子云可以通过时间分割的形式相互纠缠而形成一个不可分的整体,并且无论它们分离多远这种整体性也不会减弱。”“宇宙并不是一个独立存在物的简单集合,而是一个基于时分形式的不可分的整体。这种时分形式根本上源于运动所固有的非连续性,正是它导致了宇宙的不可分的整体性。这种整体性不需要相互作用来保持,而且也不会随部分体的分离而减弱(相比之下,我们通常所遇到的整体性都需要相互作用来维持。)”
      (4)“如果粒子云的能量分布弥散非常微小,那么它的坍缩时间将变得极其漫长,譬如比宇宙的年龄还要长。于是,粒子云的演化将主要由线性的薛定谔演化所主宰。”“如果粒子云的能量分布弥散非常大,那么它的坍缩时间将变得极其短暂,例如,短于光通过一米距离的时间。这样,粒子云的演化将主要由非线性的随机坍缩演化所主宰。”“对于宏观物体,它的非连续运动同样形成一个遍布空间的物体云。例如,一个球实际上也是一个球云。然而,环境影响(如热能涨落)将导致物体云能量分布弥散变得极大。这样,物体云的演化将主要由随机坍缩过程或局域化过程所主宰。这一局域化过程进行得非常快,因此,物体云总是集中在一个非常小的空间区域内。于是,宏观物体只能处于一个局域位置,并且只能(近似地)静止或连续地移动。这正是宏观世界中的连续运动表现。”


      在这章中,这两位作者设想微观粒子像有自己的意志的土行孙,到处游荡、神出鬼没。他们加上时分假设解释双缝干涉和量子纠缠,以及用环境影响和坍缩时间极其短暂解释宏观世界中的连续运动表现,称上帝真的掷骰子。由于他们的思想和观点非常独特,现摘录如上的一些精彩要点,请读者自己评论。据知,有人评论称之“故弄玄虚”,有人对之“直摇头”。


      对第七章:“无用之学?”
      这章重点介绍了量子纠缠的奇妙应用,基本应用是量子隐形传态,它再衍生出其它应用。
      点评:量子隐形传态无可能性,其衍生的一切所谓应用都是画饼充饥。


      这章中谈到:
      (1)“小小量子纠缠却大有用处。从量子密码到完全保密的量子通信,从量子计算机到未来的量子互联网,它都将大显身手。”“可以预见,它[量子纠缠]将有更令人惊奇的表现,毕竟除了量子叠加,它还有最紧密的纠缠和幽灵般的超距作用两个神秘武器。”
      (2)“令人吃惊的是,teleportation [(牛津词典)心灵学与科学幻想:通过超自然的力量运输人或物体;也用于未来派的描述,利用先进的手段将人或物体跨越空间地瞬时输运]的想法竟然在1993年从科幻领域进入了物理学。这年3月,IBM的科学家本奈特(Charles H. Bennett)在美国物理学会的年会上首次宣布了量子隐形传态(quantum teleportation)是可能的,尽管只是在输运对象的状态被破坏的情况下。几年后,利用光子进行的量子隐形传态实验就证实了本奈特的想法。”“量子隐形传态既利用了量子纠缠,也利用了波函数坍缩。此外,由它们所导致的量子非定域性在其中也起到了关键作用。”“然而必须注意,由于[两比特]经典信息对量子态的隐形传送是必不可少的,而经典信息的传递速度小于或等于光速,因此,量子隐形传态并不是超距通信,从而也不违反相对论。”
      (3)“量子隐形传态的重要性在于,它第一次成功地利用量子纠缠来做一些事情,而不是如以往那样只关注对它的理解和分析。如今,量子纠缠态已被称为量子信道,通过它可以传送量子信息。这是量子通信最基本的过程。人们基于这个过程进一步提出来实现量子因特网的构想。量子因特网是用量子信道来联络许多量子处理器,它可以同时实现量子信息的传输和处理。相比于现有的经典因特网,量子因特网具有很多优点,如完全保密性,可实现多端分布计算,可有效降低通信复杂度等。”
      (4)“那么,在保密通信方面,小小的量子又能帮我们做些什么呢?实际上,这个问题对量子而言非常简单,只要将量子态作为密钥并通过量子通道传送即可。这种量子密码的安全性完全由量子力学原理所保证。”“根据量子力学规律,一个未知的量子态无法完全被测知,而且对任何量子态的测量还会干扰量子态本身,如导致严重的波函数坍缩过程等。...量子不可克隆定理将导致窃听者不会成功,因为任何物理上可行的量子复制机都无法克隆出与输入量子态完全一样的量子态。因此量子密码术原则上可以提供不可破译、不可窃听的保密通信体系。”


      对于(1),这里所提的最紧密的纠缠,是指遥远物体间的紧密联系,是通过幽灵超距作用的紧密联系。量子纠缠是事实,其实是像西乡的书记兼任东乡的乡长、东乡的书记兼任西乡的乡长那样的紧密关系。所以,与其说存在幽灵超距作用,不如说幽灵缠身、阴魂不散,二者的关联是特别定域的。幽灵超距作用作为神秘武器出场,只是虚晃的巫术道具而已。
      对于(2),在所谓“无人理解量子力学”的情况下,量子力学的推论错误难免,包括本奈特等六人的理论——“通过经典的和EPR的双通道隔空传输一个未知量子态”。本奈特等人的理论完全是在量子力学框架内推导,在数学上也是严格的,在做统计预半夜凉初透言应该没有问题。但要用来分析个别体系间关系和预半夜凉初透言它们的行为则是另一回事,说他们的这个想法已被实验证实就得小心了,并无可靠的证据。其实,这个未知量子态根本不可能隔空传输过去,实验的结论是虚假的,详见节五.5。本奈特对《Science》记者说过,Teleportation像伏都(voodoo,通灵术),其实真的是巫术。
      对于(3),关于量子隐形传态理论的应用,其实,至今实事一项无成。这个理论原本是伪的,演示的实验是编造的,实验的结论是错的,哪能有什么实际应用呢。
      对于(4),鉴于量子力学对物理实在的描述不完备,量子态的克隆与量子态叠加原理实际上并行不悖,因此量子不可克隆是伪定理,没有原理能保证量子密码万无一失,详见节五.4。


      对跋:“爱因斯坦2.0”
      跋中谈到:“也许下一个爱因斯坦真的会在不久的将来揭开量子纠缠之谜,并发现量子实在的真实图像。爱因斯坦于1935年最早让人们注意到量子纠缠,然而,这个小精灵却使人们探寻实在的巨轮越来越远离他所留恋的经典之岸,它最终会驶向何方呢?”“爱因斯坦最早注意到随机性在量子层次上的出现(1916),但却仍然固执地维护经典的因果性信念。他最著名的一句话就是“上帝不掷骰子”。爱因斯坦也最早注意到量子非定域性的存在(1927),然而他却将其斥为“幽灵般的超距作用”,而始终笃信定域性假设。”“最后,我们衷心祝愿这本小书会激励新的爱因斯坦[2.0版]去揭开量子纠缠之谜,去完成物理学的伟大统一。”
      点评:爱因斯坦的思想原版[1.0版]至今仍然是最好的,只需针对已发现的漏洞和瑕疵打些补丁和做些修改就行。


      爱因斯坦用“上帝不掷骰子”和“幽灵超距作用”揶揄根本偶然性思想和非定域性思想是很合适的,因为认真地看,量子力学并不意味着自然界具有根本偶然性和非定域性,他坚持的因果决定论和客观实在论应恢复其尊严地位,浴火重生的思想更显其不可动摇的准则意义。


      总之,这样看来,很遗憾,《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》一书也宣扬错误的思想、错误的概念和错误的理论,以及宣扬虚假的实验事实,这恐怕会严重误导公众及误人子弟,有悖于芦笛曲丛书的出版宗旨,这套丛书肩负国家科技计划科普化的示范,不同于科幻书籍和消遣读物。


三.对量子力学的无佯谬诠释


      自从量子力学问世,对其数学形式体系的诠释纷纭,莫衷一是。对它的正确诠释应当体现对一切量子现象的无佯谬解释。佯谬令人困惑和着迷,激发我们的想象力和创新力,挑战和考验我们的智慧。爱因斯坦最会制造佯谬,诸如双生子佯谬、波粒佯谬、EPR佯谬。为深度评论《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》,我们在这里要介绍对量子干涉、量子纠缠和宏观物体经典性的无佯谬解释,这些是物理学界和哲学界最为关心的,特别是物理老师们和学生。


1.对量子干涉的无佯谬解释


      用波粒二象性解释光的双缝干涉现象时遇到了波粒佯谬,费曼称:双缝干涉包含着量子力学的全部奥秘。众所周知,用光的波动性能对双缝干涉作相当满意的解释,但是,一考虑光的微粒性,矛盾就来了,因此,玻尔用因果描述与时空标示互补的哲学观点解释这种干涉现象,海森伯和冯·诺伊曼用波函数的坍缩来解释,而波恩坚持保留粒子观念,用自然界本身的根本偶然性和波函数的几率诠释来解释,德布罗意用导波解释,玻姆用导波的量子势解释。还有一些其它解释,如用多宇宙假设、用一致性历史假设或用实体核心加暗波假设来解释。爱因斯坦反对互补解释、坍缩解释和根本偶然性解释,也不满意德布罗意和玻姆的解释,而自己尚无主意,在1951年给米歇尔·贝索的信中说:“整整五十年的冥思苦想,没有使我更接近于解答‘光量子是什么’这个问题。”从根本上说,要合理解释量子的双缝干涉,需要认识量子的真莫道不消魂相和综合波粒二象性。爱因斯坦确认了波粒的二象性质,但是他并不满意这种二元论,期望二者的综合,在1909年10月发表的“论我们关于辐射本性和组成观点的发展”中说:“我认为,理论物理发展的下一阶段将带给我们一种能看作为波动说和发射说融合的光理论。”


      当初,薛定谔和德布罗意就企图用波包描述微观粒子的实在状态,不仅未能成功,似乎也看不到任何希望,因为他们考虑的波包要发散。以后有很多人努力去证明用波包描述微观粒子根本行不通和再现量子力学一切预半夜凉初透言的定域潜变量理论的不可能性,仿佛在科学大道上,已经立了一块牌子“此路不通”。不过,像我们这些在实验室里与实实在在的原子、电子和光子打交道惯的,深知它们的行为,还是不甘心放弃去猜想量子力学数学形式体系背后潜在的量子实体和潜在的变量。无疑量子力学波函数不可能线性叠加出绝对不会发散的态,但是事实上一个电子或一个原子是稳定的,所以潜变量不可能存在的结论很可能其根据偏面或证明绕同义反复的圈子。量子力学是线性理论,可是要做出一个满足线性方程的像微粒的不发散波包似乎束手无策,无路可循,几乎令人绝望。因而有人把眼光转向非线性理论,特别是德布罗意本人和他的巴黎学派。爱因斯坦也有这个倾向,在他看来,真正的规律不会是线性的。很自然,我们最容易想到的潜变量是粒子的位置、动量和自旋角动量,而且认为理论中出现的物理量是在这类潜变量上统计平均的结果。事实上,这类潜变量理论包括玻姆的理论都未能解决量子力学诠释问题和量子测量问题,这或许暗示把这些量当作潜变量不是解决问题的出路,很可能这也正是爱因斯坦从来不谈论潜变量的原因。他在1948年的文章“量子力学和实在”中表示倾向于相信这个观点:“这个(自由)粒子实际上具有确定的位置和确定的动量,即使它们二者不能在同一单体情形中由测量来确定。按照这一观点,psi函数体现实在事态的不完备描述。”并认为:“有朝一日终究要被一种更加完备更加直接的描述所代替。”但是他从未提议过补充粒子的位置、动量和自旋角动量等作为潜变量去完备描述量子实体,那是约翰·贝尔的想当然强加于爱因斯坦的。


      关于潜变量的类型,可能曾经忽视了一个大的方面,波作为变量也可以是潜的,这是连专门研究潜变量理论的约翰·贝尔也没有考虑到的,他以为自己考虑的潜变量类型已穷尽一切。我们不妨假设,满足爱因斯坦-德布罗意关系式(能量-频率关系,动量-波长关系)的波在量子理论中是“显的”,不满足的是“潜的”,这个假设使做出满足线性方程的不发散波包成为可能,即使得综合波粒二象性成为可能。事实上,数学上极其简单,物理上直观明了,在相对论框架内,由无限多个原始简谐波可以等权叠加出极窄的、满足线性方程的、不发散的波包——初级波包(简称初包),这种初包可以描述自由的微观粒子,其中与粒子的动量和能量关联的特征分量就是我们熟知的波函数——德布罗意波函数,这波是自由微粒的薛定谔方程之解。(详见《物理》1991年第8期498至502页) 显然,这个在相对论框架内建立的初包模型体现波动性和粒子性的逻辑综合,场和实物的统一认识,以及相对论和量子论的彼此融合。因为动量和能量值依赖于惯性参考系,所以在无数分量中哪个是特征分量依赖于参考系的选择。在量子理论中唯独这种特征分量是“显的”,但是这理论中“显的”波又是不可观测的,在观测中可能显露的无非是初包——量子实体。考虑到电子和光子有自旋,已知狄拉克电子有四个关联的特征分量(波函数),光子一般有六个关联的特征分量(电磁波)。光脉冲或德布罗意波包是那些特征分量叠加成的次级波包,它可以用希尔伯特空间中的矢量表示,原则上要发散是其特征。我们称一个光子的频率,是指描述它的初包的特征分量的频率,是确定的,而初包组成波的频谱近似无限宽。而次级波包不同,其中的组分是系综中不同初包的特征分量,特征分量的频谱一般有一定宽度。初级波包和次级波包容易混淆,事实上也常被混淆,比如称单个光子有一个带宽是二者的混淆。显然,这里的潜波是量子实体的组分,而不是参与平均的随机潜变量。玻姆认为:“也许我们现在的量子力学平均是还未直接探测到的潜变量的表现形式”,贝尔认为:“psi描述的量子力学态由对lambda[代表潜变量的参数]的均匀平均得到”,看来他们两人都在一味依赖潜变量统计平均诠释量子力学这点上犯了原则性错误,以致出现贝尔不等式谬论。


      现在可以用上述的初包模型来解释双缝干涉。在弱光的双缝干涉实验中,探测屏上出现的微小斑点清楚显示光子有一个点状的部分,即有一个反映能量集中的峰,而出现的干涉条纹好像暗示它还具有鲜为人知其作用的峰外部分,因而自然推想条纹起因于被双缝割出的含峰片与不含峰片的自身联合。从初包模型看,如果设想分割出来的峰外片还有效应,则就可以合乎逻辑地解释双缝干涉现象,波粒佯谬不再存在。这含峰片与不含峰片有完全相同数目的组分,只是组分间的位相关系不同,在峰处齐相,而峰外各组分的位相分布正好使合成的总波幅为无穷小,因此当含峰片与不含峰片分开通过双缝再度相遇时会让我们观察到干涉条纹就不足为奇了。因含峰片和不含峰片的特征分量(波函数)相同,波是对称通过双缝的,这样含峰片和不含峰片不对称通过双缝的事实被暗藏了,明修栈道,暗渡陈仓。这样说来,不含峰片也是量子实体,一种神不知鬼不觉的东西,其形状和强度依赖于环境,因而携带着环境包括测量仪器的信息,这种信息会表现在观察或测量的结果中。为区别于初包峰那种携带动量和能量的实体,我们就称这种不含峰片为准实体。这里潜波的“潜”是指除初包的特征分量外其它分量都不出现在量子力学的形式体系中,不是指在测量中无表现为“潜”,相反,在测量中表现的全然是由潜波组成的初包的行为,因此说潜变量从未被观察到过是有眼不识泰山了,可见这里指称的潜波不是形而上学的思辨产物或文字游戏。在照相底板或荧光屏上显示的斑点或粒子探测计数器的咔咔声,都反映微观粒子的实在,那是在测量前存在、测量中发现的,无需用波函数坍缩这种奇怪想法去桥接量子力学预半夜凉初透言的几率性与测量结果的确定性之间的概念鸿沟。用初包、初包峰、含峰片、不含峰片这些新概念能无佯谬地解释一切量子现象,包括最莫明其妙的量子纠缠。


2.对量子纠缠的无佯谬解释


      二粒子可能有特殊的关联行为是爱因斯坦等三人(EPR)在1935年发表的一篇论文中提出的,他们企图证明量子力学对实在的描述不完备,被称为EPR论证,根据是认为这种特殊的不可分性关联与量子的实在性相矛盾,被称为EPR佯谬。薛定谔读了该文后把这种行为起名为纠缠(Verschrankung,其中的a上要加两个点)。在德语中双手交叉在胸前称纠缠,我们就用类似的情景来了解纠缠的本性。拿宰的猪来隐喻,把猪的左右腿交叉,当中斩开,左蹄右肘装一包,叫包a,右蹄左肘装一包叫包b。包a北京自家煮着吃,包b快递给上海的老弟。如果混淆猪脚的左、右编号和包的a、b编号,就会认为左脚下锅煮,右脚就瞬时“感应”到远方煮的影响也熟了,似乎存在着神秘的隔空联动关联。再一个极好的隐喻是,东乡的书记一感冒,西乡的乡长就打喷嚏,西乡的书记一感冒,东乡的乡长也打喷嚏。这种纠缠有谁能讲得清楚,其实答案极其简单,那就是,东乡的书记张三兼任了西乡的乡长,西乡的书记李四兼任了东乡的乡长。在量子世界里,两个纠缠粒子占据四个态,要纠缠只有像兼职那样集于一身的“兼态”方式,在逻辑上排除任何其它可能性。总之,量子纠缠好比你中有我、我中有你,生同一个衾,死同一个椁。的确,经典类比一般无助于理解量子现象,但是逻辑同构的隐喻还是有可能提供一些启发。然而情况可能正相反,比如,先对量子纠缠的真莫道不消魂相有一种认识,然后辅以隐喻来向同行和外行宣传这种认识,以容易获得认同。


      现在我们用初包模型来解释量子纠缠:例如,一个紫外光子打在一个非线性晶体(例偏硼酸钡晶体)上,如果条件合适就变成两个红外光子,编号1和2,设想此时已发生了纠缠,即光子1的含峰片与光子2的不含峰片融合成一个光子,新编号a,光子2的含峰片与光子1的不含峰片融合成另一个光子,编号b。这情景正好解释了一对纠缠粒子的态叠加的数学表示式,式中标的是光子的原编号1和2。这种纠缠的特点是不能再解开,像子女身上的父母基因不能再分开一样,只能逐代淡化。可见,量子纠缠反映的这种整体性(不可分离性),不等于这种整体性在观念上不能再按部分做进一步分析。实际上量子力学不描述从1、2到a、b的这种编号变化,这种变化应看作这纠缠制备过程的新结果。在EPR论证中举例的一对纠缠粒子,情况类似,假如考虑到编号的变化,EPR佯谬不复存在。量子纠缠的如此解释也正好能说明氦原子中最低的三重态与单态之间的奇怪库伦交换能的来源。看来,上述这个情景反映了量子纠缠的真莫道不消魂相,因此所谓纠缠粒子间的幽灵隔空作用纯属子虚乌有,系混淆空实、颠倒远近的产物。


      玻尔在反驳EPR论证的文章中称他们(EPR)的实在性概念是含糊的,含糊在无任何扰动上,称虽无力学扰动,但不免有与测量条件相关的影响,他由互补原理来捍卫量子力学的描述是完备的观点。虽然EPR论证和玻尔的反驳都未切中对方的要害,但是EPR发现量子力学用于二粒子体系时在数学形式中可能出现一种特殊的关联,是一项非常重要的发现,尽管这种关联已在狄拉克1926年的文章“关于量子力学的理论”中已初见端倪(有关联公式psi_{mn}=a_{mn}psi_m(1)psi_n(2)+b_{mn}psi_m(2)psi_n(1)[这里用符号“_”表示下角标])。不过他们(EPR)以为这种关联与量子的实在性相矛盾,由此误认为这种矛盾起自量子力学描述的不完备,尽管它是不完备的。另一方面,玻尔发现EPR的实在概念是含糊的,他的这个意见包含着一份深奥真理,虽未知纠缠之真莫道不消魂相。


      薛定谔在1935年发表的论文“量子力学的目前状况”中写道:“任何发生的“预半夜凉初透言的纠缠”显然只能归于这个事实,即这两个物体在较早的某个时候形成真实意义上的一个体系,而且二者已经留下各方的印记。”并说:“在分离体系上的测量不会直接彼此发生影响——那种影响是巫术。”他称纠缠是量子力学的特有品性,在几乎同时发表的另一篇文章“分离体系间概率关系的讨论”中开头写道:“如果我们由其各自的表示知道它们状态的两个体系,其间由于已知的力受到暂时的物理作用,而且如果这些体系相互影响一段时间以后再分开,那么它们不再能如前的同样方式描写,即不再能赋予它们各自的表示。我们不说有什么东西强迫量子力学完全背离经典思想路线,宁可说那是量子力学的特有品性。这两种表示[量子态]由于这相互作用已经变得纠缠起来。”虽然他把两个体系在纠缠时留下各方的印记的想法和含峰片与不含峰片的融合图像一致,但他也未意识到这种融合的纠缠真莫道不消魂相。


      关于量子纠缠的真莫道不消魂相,还需作一些说明。在量子力学的数学形式体系中,对一对纠缠粒子,只见编号1和2,从1、2到a、b要当作一次制备来看待,这是认识量子纠缠真莫道不消魂相的关键。爱因斯坦在文章“自述”中表示“坚定不移地认为”:“体系S_2的实在状况与我们对那个在空间上同它分离的体系S_1所采取的行动无关。”这被称为分离性原则。不过,他同玻尔一样,未意识到发生纠缠时体系结构的变化和粒子编号的相应变化,在否定非定域影响的同时,还否定了纠缠中实际存在的那种不易发现的定域性关联,即一个初包的含峰片与另一个初包的不含峰片的融合。现在的结论是,量子纠缠中非经典关联存在,但它是特别定域的,不存在与相对论矛盾的问题。爱因斯坦认为量子力学对微观实体的描述不完备,现在看来,这种不完备性还包含这理论不描述粒子编号的变化,这一点才是认识EPR佯谬的关键。另一方面,玻尔认为纠缠前后粒子状态的定义发生了变化,他在1939年发表的“原子物理中的因果性问题”文章中提到,爱因斯坦的“态”概念与量子力学中态的概念不同是EPR佯谬的来源,他写道:“事实上这个佯谬能在量子力学形式体系中找到圆满的解答,按照此体系,关于同这个物体曾接触过的分离的那个物体,没有“态”概念的任何明确使用被允许,直到涉及这个概念的定义的外部条件明确地被对这个从属物体的进一步适当控制所确定。”玻尔认为态概念的定义与外部条件密不可分是量子现象的整体性使然。现在看来,玻尔的粒子状态的定义发生变化的思想与这种粒子编号的变化情况倒是一致的,原来以1与2编号的量子态具有不可分离性,而以a与b新编号的实在态具有可分离性。因此,玻尔的整体性思想与爱因斯坦的分离性思想在字面上好像是冲突的,实际上是相容的,这样,纠缠前后粒子编号变化的认知调和了他们的整体性与分离性思想的对立,消解了EPR佯谬,说明了量子论与相对论无冲突,以及终结了他们二位在量子实在性和量子力学完备性问题上的争论。


      总之,何谓量子纠缠,那是一个微粒的含峰片与另一个粒子的不含峰片发生了纠缠,也就是说,这两片在特殊条件下(例在自发参量下转换过程中)的融合形成纠缠,这样的纠缠不能被解开。纠缠后的实在粒子的编号(a和b)不同于原来的粒子编号,不过纠缠的表达式中还保持着原来的编号(1和2),但这时再称“粒子1与粒子2无论相距多远”已无确切意义。分离性原则只适用于编号a和b,它们与编号1和2混淆是EPR佯谬的起源。与其说存在幽灵隔空作用,不如说幽灵缠身、阴魂不散,二者的关联是特别定域的。这个“幽灵”就是另一初包的不含峰片,一种准实体,因此,量子纠缠是定域的,超距作用子虚乌有,量子论与相对论无冲突。遗憾的是,近半个世纪以来,量子纠缠被解释为:当测量一个粒子时,另一个与之关联的粒子会瞬时改变状态,无论它们相距多么遥远。这个解释导致科学与巫术的荒唐联姻,使物理学陷入错误深渊。


3.对宏观物体经典性的无佯谬解释


      量子行为既然是那个样子,那么为什么宏观世界又是这个样子?这是除量子干涉和量子纠缠之谜之外,又一团疑云。以往在解释微观粒子行为到宏观物体行为的过渡时,出现所谓薛定谔猫佯谬,决定这猫的死活要借人眼的最后一瞥,这一瞥使不死不活的猫坍缩到或死或活的状态。宏观世界是人的感觉使波函数坍缩产生出来的论断过于不可思议,因而出现另一种理论:外部环境引发的退相干作用使宏观物体呈现经典状态,即把主观意识引发坍缩换成客观环境引发坍缩,而不认为由于内因,即物体本身随其尺寸和质量增大过渡到经典状态。然而,一个简单的想法是,宏观物体的确定性是本身的原形毕露,即使在黑暗中看不到它,总还能摸得着,与环境辐射无关,它的经典性呈现也与环境空气等的作用无关。现在我们来尝试做内因分析,看能得出什么结论。不像万有引力场,已知物质波是可以屏蔽的,所以由原子组成的物体的外层作为库伦势垒必然会屏蔽内层原子的物质波,自内至外层层屏蔽,这样一来,物体在外部环境中自然只剩下极薄表面层的量子行为,而整个物体的平移运动和转动则自然服从经典力学规律了。


      通常认为,沙子也是量子性的,只因为它很重,德布罗意波长极短,所以它的小孔衍射斑点很小,衍射效应可以忽略。但是,如果考虑屏蔽效应,那么沙子已远不同于微观粒子,对于它的整体而言,衍射效应、干涉效应和隧穿应都消失殆尽。屏蔽效应可以用有效屏蔽参数a描述,例对球形匀质物体,a可以定义为有效屏蔽层的质量m除以总质量M,即这时a=m/M。比如说对外界有量子行为的有效屏蔽层厚度为几个纳米,则粒子的尺寸和质量愈大,它愈像经典粒子。例如,考虑直径为1微米的尘粒通过双缝,因尘粒内部有库伦势自内至外对物质波的层层屏蔽,则除约几个纳米厚的表面层中的各原子在尘粒外的薛定谔波函数不为零外,内部各原子的波函数在尘粒外均为零,也就是说,内部各微粒(初包)的峰外部分不能伸达至尘粒之外,而表面层内的各微粒也因受束缚,初包的峰外部分的外伸也受相当大的限制,所以这尘粒在双缝上的自干涉效应消失殆尽。从现有的经验资料大致估计,大于50纳米的颗粒物体已呈现几乎完全的经典性,意即这样大的物体其整体运动完全遵从经典力学定律。


      由于这种屏蔽效应,在微观到宏观的过渡区,原来的海森伯不确定关系式不再适用,其中的普朗克常数h应以ah代替,即量子力学的经典极限不是普朗克常数h趋于零,而是有效屏蔽参数a趋于零,这样的处理既符合逻辑又符合事实。介观物体的不确定关系式表明,介观物体的粒子性和波动性可以在同一个实验中观察到。对于普朗克常数h趋于零是经典极限的命题,“常数趋于零”准会遭数学家的嗤笑,有许多物理学家却津津乐道,不过,认真的物理学家感到的是无奈或受鞭策去探究真莫道不消魂相。h是常量不是变量,那个显然不合逻辑的经典极限“h趋于0”表达普遍存在于教科书中和文献中。值得注意的是,玻尔不赞成这个h趋于0极限,1961年他在访美期间有一次在黑板上写出精细结构常数e^2/hc,在h下面划了三道说:“你们看,h是在这分母里。”改称为这时“h可以忽略”也是搪塞之举,在无奈之下,也许只能如此,好在“h趋于0”在量值上与“ah趋于0”等价。现在可以断言,宏观物体的局域确定性是本身的原形毕露,认为外部环境引起退相干是宏观物体经典性呈现的原因是错误的。显然,宏观的薛定谔猫,对整体而言波动性完全可以忽略,在任何情况下都不会处于半死半活的叠加态,也不会与其它物体发生任何量子纠缠关系。现在也许有望依据这种屏蔽效应建立介观物体的物理学(纳米物理学)。


4.量子力学潜波诠释的意义


      量子力学的潜波诠释看来在逻辑上无懈可击,然而逻辑只管对错不管真伪,是真是伪要看它的推论与实验结果的符合情况和解释一切量子现象的能力,即看其一致性。现在我们来看它的推论或解释:
      (1)初包的峰有确定的位置和动量,即有确定的轨道,轨道的形状和显现情况受初包的峰外部分和不含峰片的干涉影响。
      (2)在照相板上,威尔孙云室中或光电探测器上观察到的都是初包峰留下的放大痕迹。微观粒子在测量前真实存在,在测量中被发现。
      (3)爱因斯坦解释的光电效应是能量取决于频率的光子初包与电子初包交换能量的结果。
      (4)微观粒子在半反半透镜上发生的情况为:初包含峰片的反射和不含峰片的透射,或者,含峰片的透射和不含峰片的反射,这就排除了违背因果律的波函数坍缩和前因后果颠倒的惠勒延迟选择效应。
      (5)微观粒子经过快门时,初包的峰外相当大部分被切除,使其能量发生相当程度的随机变化。
      (6)量子衍射起源于初包峰外部分被切割对峰运动轨道的影响。
      (7)量子干涉起源于初包的峰外部分和不含峰片对初包峰的作用,这就避免了波动性与粒子性在认识上的对立。
      ( 8) 一个光子初包的含峰片与另一个光子的不含峰片在重叠时会发生互干涉,这是对独立激光源发射的光的互干涉现象的解释。
      (9)量子在势阱中的零点能起源于初包峰外部分的存在及其自干涉作用。
      (10)在氢原子中,电子初包的峰外部分引起的自干涉决定初包峰的量子化轨道运动。
      (11)量子隧穿起源于初包的峰外部分对峰的自作用使得粒子有一定几率跳过势垒,这时粒子动能涨落的均方根与经过透入深度的时间涨落的均方根满足能量-时间不确定关系式。这个解释避免了隧穿粒子的虚动量悖论和负动能悖论。
      (12)量子纠缠起源于初包的含峰片与其它初包的不含峰片由某种物理作用引起的融合,远离的粒子间不存在隔空影响,因此,量子纠缠不意味着量子力学的非定域性,量子力学不与相对论冲突。
      (13)氦原子中二电子的库伦交换能起源于一个电子的含峰片与融合着的另一个电子的不含峰片共享一个电荷。
      (14)波函数的叠加性反映初包不含峰片的独立存在及其干涉作用,此种叠加性意味着,单个体系的态的叠加中只有一个含初包峰的非空成分,其余成分全是(准)空的,因此粒子的个体性与波的叠加性无逻辑上的矛盾。
      (15)海森伯不确定关系意味着初包的峰外部分和不含峰片所起的作用有一定程度的不确定性,归因于这些部分受外部条件制约,而外部的作用有一定的随机性,例如,用一个夹子夹住一个粒子时几乎把初包的峰外部分全切掉,使动量和能量发生随机变化。
      (16)玻恩几率是表示微粒位置本征态占有的几率,只是表示量子实体的“显露”几率,因为初包的峰会被峰外部分不同程度的干涉性隐藏或凸显,如在驻波中发生的情况。
      (17)环境和测量不仅对初包峰发生有形的作用,也对它的峰外部分和不含峰片发生无形的作用,它们只会影响量子的相干性形式,不会影响量子的相干本性。
      (1 8) 不同于初包,次级波包的零振幅片无量子效应,因为在此的所有初包的所有分量的合成效应完全消失。
      (19)关于粒子的自旋,按麦克斯韦方程,光子初包一般有互相关联的6个特征分量,决定它的自旋量子数为1,而电子初包,按狄拉克方程,有互相关联的4个特征分量,决定它的自旋量子数为1/2。
      (20)量子统计学中普朗克元胞(h的三次方)意味着,每个量子不仅其初包的峰(粒子性)参与统计,峰外部分(波动性)也参与统计。


      (21)宏观物体的经典特性来源于表层物质对内部物质的物质波的几乎完全屏蔽。
      (22)由量子的初包模型看,牛顿力学和量子力学对物理实体的描述都是不完备的,各有自身的适用范围。适用于介观物体的完整力学有待建立。
      (23)由微粒的初包模型推断量子力学不违反实在论,虽然量子实在的形式与经典实在的形式不尽相同。
      (24)由微粒的初包模型推断量子力学不违反因果决定论,虽然初包易受环境和测量的随机扰动。
      (25)量子的初包模型综合了波粒二象性,调和了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说的冲突。
      (26)量子的初包模型揭示了量子纠缠的真莫道不消魂相,消解了EPR佯谬,调和了爱因斯坦与玻尔在量子实在性和量子力学完备性问题上的争论。
      (27)量子的初包模型是在相对论框架内建立的,说明量子论与相对论无冲突。
......等等。
显然,这里量子力学潜波诠释的推论和对一切量子现象的解释,名正言顺,一通百通,量子佯谬和悖论荡然无存。


      从相对论性的初包模型已经很清楚,对于一个速度为v的实物微粒(初包),莱布尼兹“活力”mv^2(=pv=mc^2-内能=真动能mv^2)决定的特征分量的相速度严格地等于粒子的速度,慢速运动微粒的机械动能mv^2/2(=pv/2=pv减去近一半变成的内能)决定的(名义)相速度近似等于粒子速度的一半,而相对论能量mc^2决定的三维(赝)相速度(c^2/v)是超光速的。后者不是波阵面沿波矢方向的传播的速度,而是它们与三维空间坐标轴的交点的移动速度。因此,这个模型不仅提供波粒二象性的综合和场与实物的统一认识,也把相对论和量子论二者融合起来了。


      看来,谁如果对莫名其妙的波函数psi和算符有受煎熬的感觉,也许最好是承认初包的峰、峰外部分、含峰片、不含峰片和其特征分量在量子世界里扮演一班戏剧角色,它们表演反射呀、透射呀、散射呀、衍射呀、干涉呀、隧穿呀、纠缠呀、共振呀、跃迁呀等等。至于初包的峰外部分和不含峰片是些什么玩意儿,既然它们的合成振幅已经近乎零,还能指望有什么作为?不过我们清楚记得,峰外部分或不含峰片与峰有共同的特征分量(相同的波函数),包含的成分数目无异,只是前者各成分的位相不齐,它们好比一群步伐不齐的散兵,一旦归队,活力仍不可小觑。虽然我们没有先验理由断定初包的峰外部分和不含峰片具有活性,但是在无数量子现象面前恐怕不得不承认其作为,没有这种活性就没有量子世界。由此看来,量子理论不能再囿于现有的量子力学,要向更完善的量子力学方向发展。


四.对量子态叠加性和海森伯不确定关系式的理解


      量子力学的数学形式体系意味着量子态的叠加性和海森伯不确定关系式,对这二者的理解就是对量子力学的理解。现在我们要看如何从量子力学的潜波诠释和初包模型来理解它们和解决量子测量问题。


1.对量子态叠加性的理解


      量子态的叠加性深刻反映量子力学与经典力学的根本差别。狄拉克的《量子力学原理》的第一章的标题就是“叠加原理”。他说:“最基本最威猛的那些[大自然正确规律]之一是态的叠加原理。”并写道:“他也许认为,已经引进了一个很奇怪的思想——一个光子是部分处于两个偏振态的各个之中,或处于两个分离光束的各个之中——然而,甚至凭借这个奇怪的思想也得不到任何基本的单光子过程的满意图像。他可能进一步说,这个思想不提供有关实验的结果的任何信息,除了能得到波以某种模糊方式引导光子的初等考虑之外。”对这两个批评,狄拉克的回答是:“在原子现象的情形中,不能期望任何图像存在于图像这个词的平常意义之中,图像意味着主要在经典思路上起作用的模型。”“对于许多用光的简单实验,波和光子以模糊的统计方式关联的初等理论足以说明那些[实验]结果。”他说:“它[叠加原理]要求我们假设这些态之间存在奇特的关系,即当这体系确定地处在一个态中时,我们可以认为它部分处在两个或更多的其它态的各个中。原来的态必须看作是这两个或更多新态的叠加结果,其方式不能按经典思想设想。”狄拉克以单光子干涉为例说明如何克服观念上的困难。他说:“如果现在使那两个成分发生干涉,则我们会要求在一个成分中的光子能够与另一个成分中的光子发生干涉。有时这两个光子必定互相淹没,有时必定产生四个光子。这与能量守恒矛盾。对单光子把波函数与几率联系起来的新理论能够克服使各光子部分进入这两个成分的各个之中的困难。因此各光子只能与它自己干涉,不同光子间的干涉决不会发生。”最后的一句话成了经常被引用的名言,不过这个论断不够正确,需要修正,因为实验证明独立激光器发射的光子之间是能够发生干涉的,正像独立的无线广播电台发射的电磁波会发生干涉一样。


      另一本名著,朗道和栗弗席兹的书《量子力学(非相对论理论)》,开始讲不确定原理,接着讲叠加原理。我们这里用希腊字表示希腊字母,用符号“_”表示下角标。他们写道:“假定,在用波函数Psi_1(q)表示的态中,某个测量确定地导致一定的结果(结果1),而在用Psi_2(q)表示的态中,它导致结果2。然后假设,Psi_1和Psi_2的各种线性联合,即形式c_1·Psi_1+c_2·Psi_2的各个函数(这里c_1和c_2是常数),给出一个态,这态中那个测量,要么导致结果1,要么导致结果2。而且我们可以断言,如果知道这些态的时间依赖,对一种情形,它由函数Psi_1(q,t)给出,对另一种情形,由Psi_2(q,t)给出,则任何线性联合也给出一个态的对时间的可能依赖关系。这些命题可以立即推广到任意数目的不同态。上面这组对波函数的断言构成所谓态叠加原理,一个量子力学最重要的正面原理。特别是,从这个原理立即得出,波函数满足的一切方程必定对Psi是线性的。”


      如何理解叠加原理是个问题。一个量子体系,像单个光子,它的态之间的关系的确很微妙,叠加原理给予一个简单的表达。这里我们以45度的斜向偏振的光波为例来看叠加成分之间的关系。它可以表示为垂直分量|v>和水平分量|h>的叠加,即


|45>=0.707(|v>+|h&gt ;)


      为表达方便,这里用近似值0.707代表1除以根号2。时刻不忘实验事实是最重要的,毕竟事实胜于雄辩,事实是,对态|45>,当测量发现光子在|v>中时,立刻知道态|h>是准空的,当测量发现光子在|h>中时,立刻知道态|v>是准空的,准空区别于“无”,因考虑到它具有干涉效应。为定性描写这个事实,在量子力学数学形式体系之外,与测量结果相对应,我们用●(.)和○(.)表示非空态和准空态,于是单光子的态|45>分出两种情形:


|45>=0.707[●(|v&gt ;) +○(|h&gt ;) ]


|45>=0.707[○(|v&gt ;) +●(|h&gt ;) ]


      空波观念最早见于德布罗意的著作,是量子力学导波诠释的推论,准空波观念是量子力学潜波诠释的推论。潜波诠释的初包模型说明普通的波(例如德布罗意波和单色光波)是初包的特征分量,在波幅分割或波前分割的诸片段中或在斩成的诸波列中,在同一时刻,对单个体系,只有一个片段包含初包的峰,其余都是准空的。例如,在单光子杨氏双缝干涉实验中,贴近左缝观察到一个光子时,进入右缝的另一波片段必定是准空的,反之亦然。鉴于独立激光器发射的光子之间能够发生干涉的事实,所以应把狄拉克的那个著名论断改为:各光子只能与它自己的不含峰片或其它光子的不含峰片干涉,不同光子的峰之间的干涉决不会发生。


      对于二光子的纠缠态,例态|E>=0.707(|vv>+|hh&gt ;) ,这里二光子的四个态中必有两个是准空的,因此它分出两种情形:


|E>=0.707[●(|vv&gt ;) +○(|hh&gt ;) ]


|E>=0.707[○(|vv&gt ;) +●(|hh&gt ;) ]


      总之,对于多个量子的系综,在统计学上,不区分非空态和准空态与波函数的统计诠释一致。如果不区分叠加态中的非空态和准空态,就不可能无佯谬地解释双缝干涉和量子纠缠等现象。


2.对海森伯不确定关系式的理解


      对海森伯不确定关系式的理解是理解量子力学的一个主要方面,量子理论的正统物理诠释(哥本哈根诠释)集中在不确定关系式上。对此,首先要问的是,一个量子像电子或光子本来是否同时具有精确的位置和精确的动量。爱因斯坦认为有,支持者寥寥,多数人同意玻尔和海森伯的意见,认为无。这里我们先看一本教科书《量子力学》里讲的:“不确定度关系表明,微观粒子的位置和动量不能同时具有完全确定的值,它是物质的波动-粒子两象性矛盾的反映。我们可以如下理解,按照de Broglie关系式p=h/lambda,其中波长是描述波在空间变化快慢的一个量,是与整个波相联系的量。因此,正如“在空间某一点x的波长”的提法也同样没有意义,因而粒子运动轨道的概念也没有意义。 ”下面我们要提出不同看法。


      我们可以设想,如果一个微观粒子本来不同时具有精确的位置和动量,就不会有物理学。可是一个微粒是如何同时通过双狭缝和发生自干涉的呢,这看来是一个不解之谜。好在能从不确定关系式找到一点安慰,它似乎表示一个粒子动量确定时,坐标不会是确定的,既然如此,那么就不能说它非通过单一狭缝不可。不过还是不清楚它是以什么方式同时通过的,问题依然苛刻存在。看来,点状粒子的概念是非抛弃不可了。按量子力学的潜波诠释和初包模型,初包峰的位置和动量同时具有精确的值,例如,在极弱光的极小孔衍射实验中,在感光板上出现的一个微小斑点代表一个光子的反应,作为放大像的斑点的大小与感光乳剂中银盐颗粒的大小有关,斑点中心原则上有精确的位置,而且从该位置值可以算出那个光子衍射偏离的精确角度,从而知道那个已知波长的光子的精确动量矢量,所以我们可以说,粒子本来同时具有精确的位置(初包峰的位置)和精确的动量。而海森伯不确定关系说的是,孔愈小,即光子在孔内的位置不确定量愈小,则动量矢量的方向(不是数值)的不确定度愈大,对应于光子偏离角的不确定量愈大。这不涉及一个感光斑点的弥散度,因此这个不确定关系与粒子本来同时具有精确位置和精确动量的思想并不矛盾。同时也表示那波函数不是这体系的实在情况的穷尽描述,只是一种不完备的描述。


      对于能量-时间不确定关系式,我们可从1930年爱因斯坦提出的光子箱思想实验来分析,这个不确定关系式与一个光子的能量和跑出小孔口的时间具有精确值的思想也不矛盾。这个实验中的快门(时间缝隙)相当于衍射实验中的狭缝,如果用弹簧称测量光子箱的重量,弹簧称所连的指针读数相当于感光板上斑点的位置。比如设想,快门的开启时间非常短,光子的能量不确定量变得非常大,则在一个光子通过快门之前和之后,弹簧称前后两个读数之差值在各次单光子测量中可能会很不相同,各次的读出差值表示逸出光子的重量(等价的能量)。这里的单次读数误差相当于感光板上斑点的弥散程度,而多次测量结果的分布遵守能量-时间不确定关系式。玻尔对该思想实验用广义相对论进行了反驳,他从重力的作用,对宏观的箱子的运动用了不确定关系式△q△p~h,得到能量-时间不确定关系式△T△E>h,这里△q是宏观的箱子的位移不确定量,△T是称重过程的整个时间间隔T的不确定量。这个反驳是离谱的,对宏观的箱子用位置和动量的不确定关系式△q△p~h是错误的,这涉及对微观粒子行为到宏观物体行为过渡的认识,关于过渡问题前面已经讨论过。


      爱因斯坦的这个思想实验企图证明一个光量子通过快门的时刻和它的能量(或重量)是可以测准的,并非想否定海森伯不确定关系式。玻尔误会他企图用这个思想实验置不确定关系式于死地,挖空心思予以反驳,以至动用广义相对论,以其人之道还治其人之身。埃伦费斯特在访问爱因斯坦后,于1931年7月写信给玻尔,告知爱因斯坦的这个思想实验不是为了否定不确定关系的有效性。信中说:“他[爱因斯坦]对我说,他已经很久绝对不再怀疑不确定关系了,因此,例如,决不会发明那个“可称重的闪光箱”(简称L-F-Box)“反对不确定关系”,而是为了完全不同的目的。”但他未讲目的到底是什么。既然不反对不确定关系,那么看来他是为了证明一个光子在精确时刻有精确的能量与不确定关系式并不矛盾,或(和)暗示量子力学对微观粒子的描述不完备。


      我们熟知一个名词在不同语境有不同含义,这是自然语言的特征,例如名词“质量”,我们不会混淆文章质量和法码质量所称“质量”的不同含义。然而如果不顾量子力学数学形式体系和量子测量实验属于不同语境,不顾位置和动量这些名词的含义依赖于这些语境,就会出矛盾,这个情况甚至会导致把发生的矛盾嫁祸于自然界的神秘性。随着量子理论的扩展和实验的丰富和精密化,我们对认识上的矛盾的尖锐性更为敏感,更难以容忍,以至成当务之急,要求我们放弃某些成见,以更精确的方式去说明一切已知现象。现在我们知道,量子力学数学形式体系中出现的x和p并非粒子的坐标{x}和动量{p},前者仅仅是粒子的位置算符和动量算符的本征值。位置算符的本征态是次级波包,它的峰位于x,而{x}是初包的峰的位置;p是平面波表示式中出现的动量参数,或者说是动量空间中次级波包的峰的位置(本征值),而{p}是初包的动量。粒子同时具有坐标{x}和动量{p},但显然不能同时处在位置算符和动量算符的本征态,因而不能同时有本征值x和p。例如在{x}处用一个夹子夹住一个粒子(初包),这一操作好像使它进入一个无限窄的势阱,这时它的波函数是一个delta函数,是位置算符的本征函数,是一个次级波包,本征值是x,而这时p变得不确定({p}的值是随机的)。显然这个x与{x}趋于相等,所以可用这种方式测得粒子的精确位置。另一方面,要测量{p},只要不破坏长长的平面波列,从波长的测量值计算出的p趋于{p},而这时x是不确定的({x}是随机的)。混淆位置算符本征态(次级波包)与量子实体(初包)是最易犯的错误,例如,波函数坍缩假设和冯·诺伊曼用态矢投影描述测量过程都出自这种混淆。由此看出区分名称位置和动量使用的不同语境的必要性和重要性。


      同样,量子力学中出现的t和E并非粒子的时间坐标{t}和能量{E},假如认为能量-时间不确定关系式中的“时间”t就是钟测量的时间{t},即认为t等同外部参数{t},那就以为这“时间”与动量-位置不确定关系式中的x在地位上不对应,因而错误地以为这两个不确定关系式在理论中的地位不同。德布罗意波函数中的t与作为外部参数的钟测量的时间{t}含义不同,是不能混淆的,E与{E}也不能混淆。泡利未做这种区别,在他的书《波动力学的一般原理》中写道:“在量子力学中时间t必须看作是普通实数。”然而,能量-时间不确定关系式中的时间均方根差△t不是△{t},我们知道这关系式中的△t应理解为这粒子的量子态的驰豫时间或寿命。如果把这个t看作是普通实数{t},即外部参数,就破坏了量子力学的自洽性,即内部一致性,以致上述两个不确定关系式在理论中的地位变得不同。在角动量-角变量不确定关系式中和粒子数-位相不确定关系式中的量的含义均类似。


      至于威尔孙云室中荷电粒子的径迹,海森伯在提出不确定关系式之前就考虑过,他在《物理学与哲学》的第2章中说:“甚至在那个时候,1926年夏,在各种情形中我们还不清楚如何用这[量子力学]数学形式体系描述一种给定的实验情况。我们知道如何描述一个原子的稳定状态,但不知道如何描述简单得多的事件,例如穿过云室的运动的电子。”他考虑量子力学与粒子轨道概念的不相容问题,认为轨道是不能观察的,那种径迹并不表示轨道。他在1975年发表的文章“量子理论中的概念发展”中写道:“我记得,爱因斯坦告诉过我:“总是那个理论决定我们能够观察到什么。”那意味着,如果认真的话,我们不应当问:“我们能如何表示云室中电子的径迹?”而应当问:“在自然界中只有那些能用量子力学或波动力学表示的情况才会出现,这或许不是真的吗?”把问题这样转变一下,我们立刻明白,云室中电子的径迹并不是具有确定位置和速度的一条无限细线,实际上云室中的径迹是一系列的点,这些点是由水滴不太好地确定,速度也是不太好地确定。所以我简单地提这样的问题:“那好,就从这个原则出发,即仅在量子力学数学方案中能表示的那种情况才能在自然界发现,如果我们想知道一个波包的速度和位置二者,那么我们能得到的最佳准确度是什么?”那是一个简单的数学的工作,而且结果是那个不确定性原理,它似乎与实验情况相符。所以我们终于知道如何表示像电子路径这样的现象,但又付出了很高的代价。也就是说,这个解释意味着表示电子的波包在每个观察点上被改变,即在云室中每个水滴处被改变。在每个点上我们得到关于电子的态的新的信息;因此我们必须以表示这新信息的新波包代替原来的波包。”这是海森伯对云室中电子径迹的量子力学解释。这个解释表示量子力学与这种现象不矛盾,当然不矛盾不一定表示这个解释是切合实际的,认真地看,还是比较显然,他的这个解释是含糊的、形式的和非物理的。


      粒子同时具有精确位置和精确动量意味着粒子有精确的轨道,即初包峰的轨道,那么可以认为,在云室中荷电粒子的轨道会由它路径上凝结的雾珠串图像显示出来,而初包峰外部分效应的存在意味着粒子所受的扰动包含着不确定关系式支配的扰动部分。玻姆意识到量子势的存在和认为粒子本身有精确轨道,他在1952年发表的文章的摘要中说:“我们不必放弃个别体系的精确的、合理的和客观的量子级准确度描述。”现在我们可以把量子势归于初包峰外部分的定域效应(非超光速效应)。不过他把粒子本身的轨道与从波函数算出的粒子几率流混淆了,并错误地认为量子势效应是一种非定域效应。其实,他的潜变量理论并不是非定域潜变量理论,不如说是一个不成功的定域潜变量理论。


      另外,在势垒隧穿中,微观粒子的能量-时间不确定关系式与粒子本来同地具有精确时刻和精确能量的思想也不矛盾。从方势垒隧穿粒子的波函数通过数值计算可以发现,动能的不确定量△E与粒子在透入势垒深度上花费时间的不确定量△t满足关系式:△E△t大于等于hbar/2。在被势垒扰动时,动能低于势垒的粒子反射,高于势垒的跳过去,这个量子跳高模型消除“负动能”悖论和“虚动量”悖论,以及否定隧穿中的哈特曼效应(无限超光速效应)。


      爱因斯坦不喜欢哥本哈根学派对不确定关系式的诠释,前面已讲过,他倾向于相信这个观点:“这个(自由)粒子实际上具有确定的位置和确定的动量,即使它们二者不能在同一单体情形中由测量来确定。按照这一观点,psi函数体现实在事态的不完备描述。”他的好友波普尔(K. Popper)说:“爱因斯坦,波多尔斯基和罗森(EPR)的著名论文,以我之见(为爱因斯坦1950年所确认),是设计确证一个粒子可以同时具有位置和动量,用来反对哥本哈根诠释。”薛定谔也不喜欢这个学派对该关系式的非因果性诠释,他在1935年发表的文章“量子力学的现况”中写道:“如果在任何时刻经典态[位置和动量]不存在,它就几乎不可能因果地变化。”他的波动方程是符合因果决定论的,方程中的波函数完全随时间因果地变化。


      海森伯当初借伽马射线显微镜和斯特恩-革拉赫实验装置证明不确定关系式的思路和方法都是错误的,好在结果正确。他在论文“量子运动学和力学的直观内容”中写道:“例如,让我们照亮这个电子,在显微镜下观察它。那么,位置测量能达到的正确度受光的波长制约。然而,原则上我们能建立比如说一台伽马显微镜,正确度达到我们所要的高度,用它来测定[电子的]位置。在这个测量中,有一个重要特性,康普顿效应。对电子散射的光的每个观察依靠光电效应(在眼内,照相底板上,光电池中),因此也可以这样解释,一个光子碰撞这个电子,被反射或散射,然后被显微镜的透镜再折射和产生光电效应。在测定位置的时刻,即当光子被电子散射的瞬间,这电子的动量经历一个不连续的变化。所用的光的波长愈短,这变化愈大——也就是说,位置的测量愈正确。在电子位置已知的时刻,因而可以知道它的动量上至对应那个不连续变化的大小。因此,位置测得愈准确,此刻动量知道得愈不准确,反之亦然。在这个情况中,我们看到等式pq-qp=h/(2·pi·i)的一个直接物理诠释。设q_1为已知q值的精度(比如说,q_1是q的平均误差),因而这里q_1是这光的波长。设p_1为可以测定的p值的精度,也就是说,这里p_1是康普顿效应中p的不连续变化。于是,按康普顿效应的基本规律,q_1与p_1有关系式p_1·q_1~h。”这里海森伯把电子的位置不确定量q_1取作等于光的波长lambda,这等于说,他已选用伽马射线的波长短到相当于电子的位置不确定量,即预设了这电子的位置不确定量近似等于这显微镜的极限分辨尺寸。这样一来,他就把光子的不确定性,通过光子与电子碰撞的动量守恒关系,转嫁到电子上,而无关于电子本身是否有波动性。显然,这种证明方式对普通显微镜观察细菌也适用,能同样推导出细菌的不确定关系式q_1·p_1~h。但是细菌是宏观物体,波动性可以忽略,原则上遵守△x△p=0。显微镜的分辨极限源于衍射效应,或者大致说源于不确定关系,这样,它作为仪器就具有天生的测量精度缺陷,而他的证明方式正是预设了这个缺陷的程度(lambda~q_1),然后借动量守恒关系把光子本身的不确定性转嫁到电子上。再说,在伽马显微镜下,射线中的一个波长不是对电子产生不可控制的真实物理扰动的范围,故对那个电子的动量不存在与这波长成反比的扰动。可见,他的证明的思路和方法是完全错误的,好在结果正确。在卡斯第(D. Cassidy)的一篇文章中提到,玻尔曾向爱因斯坦私下诉说,海森伯的整个思路太窄,而且他的伽马显微镜是完全错误的,虽然结果正确。海森伯对高斯型波包用狄拉克-约旦变换理论和傅里叶变换对不确定关系所做的例证是正确的。


      他用斯特恩-革拉赫实验装置证明能量-时间不确定关系式的思路和方法也是完全错误的。他考虑原子束衍射的发散角近似为lambda/d,d是原子通过的狭缝的宽度,另一方面,假定磁场的偏转力最高允许值为f(即不大于会引起原子稳态间跃迁的力),认为偏转力做的功fd=E_1是能量测量的不确定量。这里,错(E_1=fd)上加错(△p/p~lambda/d)正好凑出一个正确结果。一种正确的实验证明法是,采用一定能量的微粒的束通过一定开启时间的快门,测量其能量谱(或频谱)分布的宽度。肯纳德在1928年发表的文章“关于海森伯不确定原理的注述”中写道:“这原理要求,这样的快门以仅能做统计预半夜凉初透言的方式改变电子的速率,如同通过这样的快门的光量子的频率照例必定经历的改变的方式一样,其改变与快门开启时通过的有限波列的傅里叶分解相对应。”


      以上是讨论对单个微粒的不确定关系式,那么对纠缠微粒则又如何。设一对纠缠微粒的原编号为1与2,纠缠后新的编号为a和b,显然对分离粒子a和b的p和x测量时,它们的均方根差应有下列关系式:


△x(a)△p(a)大于等于hbar/2,△x(b)△p(b)大于等于hbar/2
△x(a)△x(b)=△p(a)△p(b)=△x(a)△p(b)=△x(b)△p(a)=0


      我们应当还有能量-时间和角动量-角变量不确定关系式。的确这些关系式隐含着原编号粒子1与2的成分的交叉不确定关系和定域关联,它们表示在粒子1(或2)的含峰片上的测量伴随着对粒子2(或1)的不含峰片的测量,这里的含峰片与不含峰片是融合在一起的,因而二者的关联是特别定域的,可见所谓量子纠缠具有非定域性的论断出自对量子力学的原则性误解。


      玻尔在反驳EPR论证的文章中称他们(EPR)的实在性概念是含糊的,含糊在无任何扰动上,称虽无力学扰动,但不免有与测量条件相关的影响。他在这反驳文章的脚注中,对“相互作用或不作用”的一对粒子,写出对易关系:


[q(1),p(1)]=[q(2),p(2)]=ih/(2·pi)
[q(1),q(2)]=[p(1),p(2)]=[q(1),p(2)]=[q(2),p(1)]=0


      这里的1、2在原文中是下标。我们知道这些式子对应下列不确定关系式:


△q(1)△p(1)大于等于hbar/2, △q(2)△p(2)大于等于hbar/2
△q(1)△q(2)=△p(1)△p(2)=△q(1)△p(2)=△q(2)△p(1)=0


      这些式子表示,对粒子1(或2)的q(位置)或p(动量)的测量不会使粒子2(或1)的状态发生变化,可见玻尔实质上并未否定爱因斯坦(或说EPR三人)提出的分离性原则,他只是由互补原理来捍卫量子力学的描述是完备的观点。那么纠缠行为又在哪里呢,好像玻尔泼洗澡水连孩子一起倒掉了。


      对于介观物体(纳米粒子),考虑到屏蔽效应和引入有效屏蔽参数a(0<a<1),不确定关系式改为


△p△x大于等于a·hbar/2


△E△t大于等于a·hbar/2


      这表示量子力学的经典极限不是可笑的普朗克常数h趋于0,而是有效屏蔽参数a趋于0,这说明为什么宏观物体的观察量都是严格可以对易的。


      总之,一对共轭观察量的不确定关系式所表示的,是其本征值间的不确定关系,而不是微粒的实在物理量之间的关系,不确定关系式只有统计性预半夜凉初透言意义。


五.误解量子力学引起的谬误


      上面讲了对量子真莫道不消魂相的探究结果和对量子力学的理解,对它的误解会引起许多谬误,如波函数坍缩假设的谬误,贝尔不等式的谬误,量子退相干纲领的谬误,量子态不可克隆定理的谬误和隔空传物理论的谬误,这里将分别予以讨论。


1.波函数坍缩假设的谬误


      1927年9月,在意大利科摩国际物理会议上,关于电子的波包坍缩,海森伯说:“这个波包不仅空间中沿直线运动,而且随时间发散。对一个新的观察,这波包给出在被测位置找到这电子的几率。然而这个新观察本身使那波包减小到原来的大小Δq,它在全部可能性中做了一个选择,因此减小了未来的可能性。”在1927年10月的索尔维会议上,爱因斯坦反对波函数坍缩思想,他不能想象一个无限扩展的平面波会在探测屏上瞬间坍缩成一个非常窄的波包。1929年春,海森伯在芝加哥大学授课中更详细讲到:“我们想象一个光子,它由麦克斯韦波组成的波包表示。因此它有一定的空间扩展,还有一定的频率范围。经半透镜反射,可以把它分成两部分,反射波包和透射波包。因而有一定的几率发现这个光子在被分割波包的某个部分或另一个部分中。在过了足够长时间之后,这两部分会离开任何想望之距离;现在如果实验获得这光子位于波包的反射部分的结果,那么在波包的另一部分找到这光子的几率立刻变为零。因此在反射波包位置的实验会对透射波包占据的远距离的点施加一种作用(波包坍缩),我们看到这作用以大于光速传播。”冯·诺依曼在他1932年的书《量子力学的数学基础》中认为,对体系某个力学量的测量将引起体系的态矢跳向该量本征矢组上的一个投影部分,发生的变化是不连续的,非因果的,瞬间的,而且这种变化在热力学上是不可逆的。并认为被观察体系和观察体系的边界是任意的,观测链的末端是观察者的知觉。他把波函数坍缩看作是物理事件,称之为测量的投影假设。


      玻尔好像从未表示过对波函数坍缩假设的支持,虽然这假设被认为是量子力学哥本哈根学派诠释的组成部分。1960年海森伯在给任宁格(M. Renninger)的信中明确表示:“导致态坍缩的记录作用不是物理过程,宁可说是数学过程。随着我们的知识的突然改变,我们知识的数学表示当然也经历突然的改变。”2000年(普朗克量子论诞生百周年)在法兰克福的一个讲座期间,纳克曼孙(R. Nakhmanson)问泽林格(A. Zeilinger):“包含发生坍缩的波函数的位形空间在哪里”,回答是:“在我脑袋里。”当然毫无疑问,非物理过程不可能有任何实际用处。波函数坍缩假设因祈求知觉参与,也因无任何实验证据,有些学者称它臭名昭著、声名狼藉(infamous/notorious),他们关注或比较欢迎不含波函数坍缩的量子力学诠释,像玻姆诠释、多宇宙诠释、一致性历史诠释、系综诠释,或寻求其它诠释。


      波函数坍缩是不可思议的,属天方夜谭。比如,夜晚仰望天空,观看一颗星星,它发出无限空间扩展的光波,按波函数坍缩假设,它的一小部分碰巧在我的视网膜上与分子作用引起所谓的坍缩,此时无论在多远的与它相连接的波似乎瞬间收缩到此地了,让我们看到了亮点。这里,知觉本身作为代理机构,把光的波动特性好像转变为粒子特性了,怪不怪。前面节四.2中我们已经论证,子虚乌有的波函数坍缩是出于极窄的次级波包与描述微粒的初包的混淆。海森伯把一个光子想象为由麦克斯韦波组成的波包,属这种混淆。冯·诺依曼认为,在x轴上测量一个粒子的位置,如果在某个位置x'发现这个粒子,则认为该粒子的波函数瞬间坍缩成(投影成)一个无限窄的波包delta(x-x'),也属这种混淆。从微粒的初包模型看,量子力学数学形式体系中出现的x和p并非粒子的坐标{x}和动量{p},它们仅仅是粒子的位置算符和动量算符的本征值。混淆位置算符本征态(次级波包)与量子实体(初包)是最容易犯的错误。


      在文献中能看到许多否定波函数坍缩实在性的意见:
(1)波函数坍缩属于知识的变化,只发生在意识中。
(2)波函数坍缩不是物理过程。
(3)波函数坍缩是人为观念。
(4)抽象的波函数坍缩只是数学诡计。
(5)知觉不会引起波函数的坍缩。
(6)从无演示波函数瞬间坍缩过程的任何实验。
(7)波函数坍缩违背因果决定论。
( 8) 波函数坍缩违背相对论。
(9)整个宇宙在连续演化,无波函数坍缩的余地。
(10)波函数坍缩是量子力学的非必要假设。
......等等。


      值得一提的是,特格马克(M. Tegmark)和惠勒(J. A. Wheeler)在2001年的文章“量子迷思100年”中提到,1999年7月在剑桥的牛顿研究所的量子计算会议上,90位物理学家有一次非正式投票,其中只有8位宣称它们的见解包含明确的波函数坍缩,这暗示占优势的观点已移向无波函数坍缩的见解。


      我们来看看,从波函数坍缩假设产生出了多少错误的或无意义的言帘卷西风论:
      (1)一个量子体系的测量引起波函数的坍缩。
      (2)当光子波函数在感光屏上坍缩到极小的空间区域中时,在其它区域中立刻不再有波函数分布。
      (3)除波函数外,无点状实体,我们当作局域粒子观察到的仅仅是波函数的局域形式,即[坍缩成的]波包。
      (4)波函数塌缩是一种真实的超光速物理现象。
      (5)波函数坍缩可以用来解释为何在单次测量中被测定的物理量的值是确定的。
      (6)知觉引起波函数坍缩。
      (7)必须有观察者眼睛的“最后一瞥”,才有可能导致体系的波函数塌缩。
      ( 8) 在双粒子量子纠缠态的测量坍缩过程中,粒子1和粒子2的波函数坍缩是同时完成的,与它们之间的空间距离无关。
      (9)在测量塌缩中它们表现出一种非定域的关联,一种没有经典对应的、超空间的关联。
      (10)波函数塌缩产生幽灵超距作用。
      (11)全同性原理的交换作用+符合测量坍缩使两光子的极化状态纠缠起来。
      (12)伴随着波函数的坍缩,空间、时间也坍缩了。
      (13)波函数坍缩是作为客观事实物理地发生在这世界。
       ......等等。


      从微粒的初包模型看,虽然测量可能改变量子的状态,但是决不会引起波函数坍缩,因此上述这些言帘卷西风论是错误的或无意义的。


2.贝尔不等式的谬误


      约瑟夫森(B. D. Josephson)称贝尔不等式为“物理学中最重要的新进展”,斯塔普(H. Stapp)称它是“科学中最深刻的发现”。常听人说,贝尔不等式及其实验检验证明没有任何定域潜变量理论能够再现量子力学的预半夜凉初透言(贝尔定理),他们相信,贝尔考虑的潜变量已穷尽一切,不等式的推导合乎逻辑,数学严格,前提明确。做检验实验的阿斯派克特(A. Aspect)叫喊:“名为贝尔不等式的数学关系式的实验违反敲响了量子力学中爱因斯坦的定域实在论思想的丧钟。”定域实在论是指思想:物体具有确定的性质,不管它们是否被测量,而且这些性质的测量不受无论多远发生的事件的影响。吉辛(N. Gisin)预半夜凉初透言量子非定域性思想将流芳百世名垂千古:“我们有幸生活在物理学发现和探究大自然非定域特性的时代。与牛顿引力的非定域性相反,量子非定域性与我们永存。未来的科学史家将把我们的时代描写为非定域性伟大发现的新纪元。”贝尔不等式常用来检验量子力学的“非定域性”,判断一个量子态是否是纠缠态和判断量子态隔空传输是否成功等。


      非定域性(超距作用)观点已成时尚,多数量子物理专家都在谈论非定域性,他们称贝尔不等式理论和阿斯派克特等的实验已证明量子非定域性的存在。殊不知这是以讹传讹,不知底细者均信以为真。事情是这样的,贝尔假设量子力学有诸如微粒的坐标、动量、自旋角动量等作为一切可能的潜变量,并假设它们是实在的和定域的,推导出了一个不等式。后来他人把这种类型的不等式用在光子上,对一种特定的实验安排,由不等式预半夜凉初透言的结果为小于等于2。另一方面,对同样的安排,量子力学预半夜凉初透言结果为严格等于2乘根号2(=2.828)。阿斯派克特等的实验结果为2.697土0.015,与量子力学的预半夜凉初透言相符,而比贝尔型不等式的预半夜凉初透言结果大得多。于是做出结论:爱因斯坦的定域实在论思想是错误的,非定域性(超距作用)确实存在。至此,我们可以有一个简单的想法,既然实验结果符合量子力学,而又有充分理由相信量子力学本身是正确的,那么可以直接了当推论贝尔的理论是错误的。但是,事情并非那么简单,因为贝尔的理论似乎很合理,很难说这个理论是节外生枝,倒可能是一个最深刻的发现——世上真有超距作用存在,说不定它是大有用处的物理资源,甚至可期待一次新的技术革莫道不消魂命。然而,仔细考察可以发现,在贝尔不等式的推导中,有一个默认的假设:量子力学的观察量是潜变量的统计平均值,即假设潜变量有一个概率分布。玻姆和许多其他人也是这么看的,似乎无可怀疑。


      前面已讲过,事实上,可以找到一类新的潜变量——潜波变量,在相对论框架内,用潜波的等权傅里叶积分可以做出一个不会发散的线性波包,其中唯一与微粒的动量和能量相关的特征分量就是德布罗意波函数。这个波包称为初级波包(简称初包)。这个事实表明,能够再现量子力学预半夜凉初透言的定域潜变量理论是可以有的。在这理论中,像坐标、时间、动量和能量这种观察量是作为参数出现在特征分量中,并不是作为潜变量的平均值显现,因此可以断言,贝尔不等式推导中的那个默认假设——量子力学观察量是潜变量的平均——是反事实的,贝尔不知不觉犯了一个原则性的错误,这类不等式实验检验违反的实事倒正是这个错误的证据。


      要证明一个理论正确是不容易的,但是容易从某些方面觉察其错误。多年来对贝尔不等式和非定域性的质疑和反对声不绝于耳,这里列出一些以正视听:
      (1)穆尔敏(N. D. Mermin):“鲁道夫·佩尔斯爵士不相信贝尔定理证实了非定域性。”“对我来说,非定域性似乎为消除某些深深的困惑“太便宜地”提供了一条出路。”
      (2)洛察克(G. Lochak):“依我之见,贝尔不等式的实验违反无关于所谓的“非定域性”或“非分离性”。这违反只不过表明量子几率不是经典几率!”
      (3)德拜锐(W. De Baere)等:“首先,必须认为量子[力学]数学体系本身是完全定域的,意即在一个地方的测量结果统计不依赖于远处另外的同时作用。并且,在现时一切有趣的量子场论中,对类空间隔((x-y)的平方),观察量的对易子 [A(x),B(y)]等于零,这保证定域性。”
      (4)佩雷斯(A. Peres)等:“贝尔定理并不意味着量子力学本身存在任何非定域性。特别是,相对论量子场论明显是定域的。简单而显然的事实是,信息必须被量子化或非量化的物质携带。因此量子测量不允许任何信息传送快于实验中发射的粒子格林函数中出现的特征速度。”
      (5)阿德尼尔(G. Adenier):“虽然证明贝尔不等式违反的实验愈来愈准确和无漏洞,必须强调,不管如何地准确和接近理想,它们能证明的不外乎量子力学的有效性,而不是那[贝尔]定理的有效性。”
      (6)贝尼(G. Bene):“然而,我们坚持认为这样的结论[分离体系能够互相影响]在物理上不能被接受。定域性原理(或爱因斯坦分离性)在所有物理学分支中,甚至在量子物理中,包括最深奥的量子场论,我们已经用得很好。颇难相信它只在测量情形中失效。毕竟,测量只是两个物理体系间的作用,其一是原子组成的宏观测量器件,对它的结构和作用我们从量子力学有相当好的理解。无留给神秘非定域影响的余地。”
      (7)阿卡笛(L. Accardi)等:“我们证明定域条件与贝尔不等式不相关。我们检查认为贝尔不等式的实际起源是经典(柯尔莫戈洛夫)概率理论可应用于量子力学的假设。”
      ( 8) 散托斯(E. Santos):“实际上至今被实验上违反的所有不等式都不是单独从实在论和定域性条件推导出的真正贝尔不等式,而是要求辅助假设推导出的不等式。颇为显然,这种不等式的违反不能驳倒整个定域潜变量理论家族,而只是有限的家族,即满足辅助条件的那一些。”“依我之见,错误信仰[定域潜变量理论已在实验上被驳倒]影响的扩大是二十世纪物理史上最大的忽悠之一。”


      阿斯派克特在1999年《Nature》上发表的文章“贝尔的不等式检验:比以往更理想”中称:“我们必须做出结论,一对纠缠的EPR光子是不可分离的物体;也就是说,不可能对各个光子赋予个体的定域性质(定域的物理实在性)。从某种意义上说,这两个光子超越空间和时间保持着接触。”值得注意的是,他在2007年《Nature》上发表的文章“量子力学:是定域的,还是非定域的”中承认,否定定域性不是他们的实验的逻辑结论,不过他还是“倾向”认为量子力学是非定域的,爱因斯坦的定域实在论思想的丧钟已敲响。好一个“倾向”! 理不直,气还壮。


      我们看,从贝尔不等式及其实验检验结果产生出了多少错误的或无意义的言帘卷西风论:
(1)贝尔定理证明,量子力学的预半夜凉初透言、潜变量存在和定域性三者不可能都是正确的。
(2)贝尔证明量子力学与定域实在论矛盾。他的著名定理是深刻的科学和哲学推断。
(3)贝尔定理说实在必定是非定域的。
(4)构成EPR实验的任何实在必定是非定域的。
(5)阿斯派克特等人的实验结果意味着,定域性假设与实在性假设中至少要有一个被抛弃。
(6)阿斯派克特等人在实验上令人信服地证明了量子非定域性的存在。
(7)量子力学是非定域的理论,这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实。
( 8) 贝尔不等式的实验检验证明,我们生活在有鬼魅隔空作用的世界里,量子力学是一个完备的理论。
(9)大量实验的结果已显示了量子非定域性的真实存在。
(10)贝尔不等式的数学关系式的实验违反敲响了量子力学中爱因斯坦的定域实在论思想的丧钟。
(11)贝尔不等式可以判别量子力学背后是否存在定域的隐参数。
(12)多数小组的实验结果与贝尔不等式相悖,他们的数据断然否定了隐变量存在的可能性。
(13)EPR/Bell实验已经被完成:量子力学是正确的,一切潜变量理论都是错误的。
(14)任何定域的隐变量理论都不能完全重现量子理论的所有预半夜凉初透言。
(15)贝尔不等式的违反等效于驳倒EPR论证。
(16)EPR实验意味着量子力学是非定域的。
(17)贝尔不等式竟然成为判决世纪难题的法官、成为判决爱因斯坦败诉的所谓铁证。
(1 8) 因为实在本身是非定域的,非定域联系无处不在。


(19)非定域性是微观物质的根本性质。微观事物以非定域方式存在。非定域性深刻揭示了事物之间具有普遍联系。
(20)量子的定域性与非定域性是统一的,量子的波动中心表现为定域性,但是量子的相互作用距离是无限的,表现为非定域性。


(21)定域因果性被证明是伪的。
(22)量子力学是在运动学的意义上是非定域的,而相对论要求的是动力学意义上的定域性。
(23)贝尔不等式和贝尔定理是理解超距作用的关键。
(24)量子理论允许非定域性或超距作用的存在。
(25)我们可以用非定域潜变量说明量子现象。
(26)直到1964年贝尔提出著名不等式,才使得量子纠缠态的非定域性可以通过实验来验证。
(27)GHZ(Greenberger-Horne-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。
(2 8) 微观粒子之间确实存在某种超越时空的神秘纠缠。
(29)量子纠缠最不可思议的性质就是它的非定域性。
(30)检验贝尔不等式的实验,证明了处于量子纠缠态的量子复合体系具有明显的非定域性特征。
(31)实在论是正确的,但宇宙是非定域的。
(32)贝尔不等式的实验结果完全否证了量子力学的内禀几率是来自于更深层之定域客体的隐变量,而确定了量子客体的内禀几率是其根本基础性质。
(33)贝尔不等式明显不成立这一事实,既体现了对量子力学完备性的支持,同时也反映出更深刻的科学含义。这些无论对量子力学的进一步发展,还是对未来的量子通信,都是具有重大意义的。
(34)量子世界的非定域性,不仅在可能的量子信息技术的开发中是一种宝贵的资源,而且在解释某些神秘的生命现象方面,似乎也提供了一种新的线索。
......等等。


      以上言帘卷西风论相关的文献汗牛充栋,反对非定域性者足以被这池口水淹死,直言的反对者被某些“学者”斥责为无聊、变半夜凉初透态、胡说八道、妖言惑众、唐吉可德自叹不如。


      如果没有前述的潜波诠释和初包模型,也许很难想到甚至想不到玻姆和贝尔等的思想——量子力学观察量是潜变量的平均——是错误的,这个能够无佯谬地解释一切量子现象的模型彻底否定了贝尔的不等式和贝尔定理。不过,与这个模型无关,许多人也会同意前面所列的穆尔敏等许多人发出的质疑或反对,因为错误有多方面显露迹象的可能性。以上种种错误的或无意义的言帘卷西风论一再被以讹传讹,祸害不浅,特别是幽灵隔空作用存在的断言引领了科学与巫术的联姻。据知,钱学森先生曾非常关注贝尔不等式,在给何祚庥先生的一封信中说:“量子力学的哲学问题已经吵了五十多年了,还没有解决,近来验证了贝尔不等式,问题更严重了。我认为我们中国的物理学家和哲学家应该投入这一研究,并比较满意地解决它,也在此过程中发展马克思主义哲学。”无疑这是我们为基础科学和哲学发展作贡献的一个难得良机。如任其下去,可能会同其它巫术科学一样,有从愚蠢迈向欺诈的危险。


3.量子退相干纲领的谬误


      量子力学的诠释可以简单归结为对波函数的诠释,对之诠释纷纭,但有一点是肯定的,几乎所有物理学家都不喜欢波函数的主观诠释。既然波函数坍缩假设因祈求知觉参与和无实验证据而臭名昭著,量子退相干纲领(思想和概念)和理论因运而生。泽赫(H. D. Zeh)在1970年发表了一篇文章“量子理论中的测量诠释”,摘要中称“论证了波函数的几率诠释与它的客观诠释是一致的。”一般认为量子理论本身不能描述测量过程,有人认为要用像潜变量那样的新物理概念去描述,泽赫认为“这些迄今都未被证实”。他企图用满足薛定谔方程的表观坍缩(apparent collapse)代替违反这方程的名副其实坍缩(genuine collapse)对量子测量进行诠释。从这篇文章和以后跟着的文章,我们来看退相干纲领和理论是否有助于解决量子测量问题和量子-经典性质过渡的问题,看是否有助于对量子力学的理解。


      泽赫设被测量体系S的态为其本征态的叠加:


phi=sum c_n·varphi_n


      这里用了类似于LaTex系统的希腊字母和上下角标输入法,sum代表求和号。假设仪器M用波函数phi_a描述,则在量子力学框架中描述测量过程时,S+M的整个体系的态应遵守薛定谔方程。按冯·诺伊曼1932年的书《量子力学的数学基础》第Ⅵ章中对测量作用的描述,一个测量使得整个体系的初态


psi(0)=phi_a·(sum c_n·varphi_n)


      随时间演变为


psi(t)=sum_{n,a'} c_n·u^n_{aa'}(t)·phi_a'·varphi_n


      为说明这个式子,泽赫考虑波函数为varphi_R的右旋糖分子,它的态不同于哈密顿量H_S的本征态varphi_R土varphi_L,其中varphi_L为左旋糖分子的波函数。从varphi_R到varphi_L的隧穿时间比宇宙的年龄还大得多。相互作用的矩阵元<varphi_R|H_S|varphi_L>极其微小。现在假设一个本征态vaiphi_R+varphi_L已经被制备。这两个成分然后会以不同方式与环境相互作用,即发生:


exp(iHt)·phi·(varphi_R土varphi_L)近似等于phi^(R)(t)·varphi_R土phi^(L)(t)·varphi_L=psi^(R)(t)土psi^(L)(t)


      于是他说:“与这个宇称量子数有关,这个糖分子的行为如同宏观物体——两个本征态之间能量差极其微小。这两个世界成分psi^(R)和psi^(L)在制备以后实际上有独立行为,因为<psi^(R)|H|psi^(L)>甚至随时间增加而变得更小。”这里,泽赫是否在生拉硬扯引入环境的作用,左、右旋糖分子各是与生俱来的标准微观粒子,它们的行为与宏观物体的行为大不相同。


      瞿斯(E. Joos)和泽赫在1985年的文章“经由与环境作用的经典性质的出现”中写道:“干涉项的破坏常认为是由环境对有关体系的不可控制的影响以经典的方式引起。实际上,这个诠释似乎海森伯早就[1927年]有了。但是反过来是真的:这体系扰动环境,从而搞乱位相。...只因运动学的非定域性(量子关联),这个作用过程对体系后来的测量具有影响。干涉项依旧存在,但是他们不在“那里”(日常语言包含着经典成见的同义语)。”瞿斯在1996年发表的文章“通过与环境作用的退相干”中讲了通过理想测量的退相干,介绍了他与泽赫的1985年文章中关于退相干速率的计算。这里介绍其计算大致的思路。设|x>表示一个宏观物体的质量中心的位置本征态,设|chi>为入射粒子的态。假定入射粒子在这宏观物体上散射时|x>保持不变,即无反冲,而散射态将带走关于散射中心的位置信息。这可以写作


|x>|chi>—>|x>|chi_x>=|x>S_x|chi>


      S_x是散射矩阵。设波函数phi(x)描写散射中心的位置态,该中心的(约化)密度矩阵元为


rho(x,x')=phi(x)·phi^*(x')—>phi(x)·phi^*(x')<chi|S^{dag}_x'S_x|chi>


      这里的“^*”表示这函数的复共轭,“^{dag}”表示这矩阵的复共轭并转置。


      他们主要考虑单一散射事件不分辨距离|x-x'|的情形,即假设散射粒子的波长lambda远大于这个距离,即lambda>>|x-x'|,否则干涉项迅速被破坏,不管通过什么方式。主要任务是计算矩阵元rho(x,x')。他们用了下列假设:
1.相互作用是平移不变的,也就是说,散射矩阵与总动量对易。
2.反冲可以忽略,也就是说,在相互作用中,仅仅散射粒子的态被改变。
3.在很短时间间隔内很多粒子被散射,这些入射粒子被各向同性地微扰。
4.入射粒子可以用动量本征态的系综描述。
      表示式<chi|S^{dag}_x'S_x|chi>可以对平面入射波|chi>=|k>进行计算(也许包含在热系综中)。把来自许多个别无效的散射事件的贡献加在一起,在散射中心的密度矩阵的位置表象中产生一个干涉的指数衰减:


rho(x,x',t)=rho(x,x',0)exp(-L·t·(x-x')^2)


      这里的量L=k^2·N·v·sigma_{eff}/V量度局域化速率,k是波数,Nv/V是入射流密度,sigma_{eff}是总截面量级。这式说明,这些量愈大物体经典面貌出现得愈快。计算得到的结果表明,宇宙背景辐射、阳光、高真空中的剩余分子、或环境空气作用,就能使我们看到确定的宏观物体。


      上述的计算思路和结果是值得怀疑的。对于宏观物体,即使在黑暗中我们看不见,总还能摸得着,它的出现非要硬拉扯上像宇宙背景辐射或阳光等的环境是完全不可思议的。我们在前面的节三.3中,简单而明确地说明了宏观物体经典性出现归于内因,对比可见,退相干理论提供的解释复杂而含糊,这种局域化速率计算也无意义。


      祖瑞克(W. H. Zurek)发展了泽赫的退相干理论,1981年发表题为“量子仪器的指针基:波包坍缩进入什么混合态?”的论文(下称文ZuⅠ),1982年发表题为“环境引发的超选择”的论文(下称文ZuⅡ)。泽赫在2005年发表的文章“退相干的根基和果实”中称这两篇论文发表之前的10多年为“退相干的黑暗年代”。文ZuⅠ的摘要说:“仪器和环境相互作用的哈密顿量形式足以决定被测量体系的哪个观察量可以认为被仪器所“记录”。包含这记录的基——仪器的指针基——是由与仪器-环境相互作用的哈密顿量对易的这个算符的本征矢组成。因此这环境被说成是对指针基中为对角的观察量进行一个非破坏性测量。”而结论说:“我们已经证明,仪器Q和环境E的相互作用可以挑选出这仪器的一个优选指针基。当这相互作用哈密顿量H_{QE}与仪器观察量Pi对易时,总会发生这个情况。这观察量Pi的本征函数组与这体系的对应的相对态之间的关联就将保持不受扰动,尽管仪器的演化由这哈密顿量产生。仪器观察量Pi的选择决定这量子体系S的哪些态能够被记录。因此在一定意义上,那是这个仪器的环境,它参与决定这仪器测量的是什么:仪器的指针观察量Pi,即其上环境进行“非破坏性测量”的那一个,是唯一被赋予这量子体系的态的最大信息。”文ZuⅡ企图说明“一个量子体系与其它量子体系的关联如何引起它的观察量之一以经典方式表现”。他认为:仪器与环境作用造成的关联实施了有效的超选择法则,避免仪器出现在对应于那特许的指针观察量的不同本征值的那些态的叠加之中,那是与指针基态关联的传播最终负责指针观察量的选择。并认为:体系-仪器-环境联合体的自然演化引起仪器-体系密度矩阵的指针观察量中的那些非对角元的衰减;指针观察量的出现可以看作为解决无环境的测量问题的一个线索;量子体系的性质可能无绝对意义,它们总是必须关系到其它物理体系去描绘。


      2003年祖瑞克在《现代物理评论》发表了长篇文章“退相干,环境引发的超选择和经典世界的量子起源”。这里我们看他如何说明一个点和经典轨道的出现。在摘要中写道:“退相干由环境实际监视这体系的某些观察量在其中的作用所引起,破坏了对应于它们的本征值的指针态之间的相干性。这导致环境引发的超选择或[缩写]einselection,一个与信息选择性损失相关的量子过程。环境引发的超选择的指针态是稳定的。它们能够保持与宇宙其余部分的关联而不顾环境。环境引发的超选择通过在希尔伯特空间的极大部分上实施有效的禁莫道不消魂令经典地尤其消除那个公然非局部的“薛定谔猫态”。相空间的经典结构以适当的宏观极限从量子希尔伯特空间中出现。环境引发的超选择与动力学的联合导致一个点和一条经典轨道的观念化。”关于量子-经典过渡问题,文中写道:“量子体系“开放性”与从量子到经典的过渡也许有什么关系的思想长久被忽视,可能是因为在经典物理中,根本上重要的问题总是在被孤立的体系中解决。”他在此文中初次提出量子进化论(quantum Darwinism),认为退相干是一个自然选择过程,类似达尔文的物种自然选择——最适者生存。2009年他在《自然·物理》发表了文章“量子进化论”,摘要写道:“量子进化论描述量子体系的被选择的态的多条记录在环境中的增殖。它能够解释单量子体系的态的脆弱性如何能导致它们关联的群体的态的经典健壮性;能够说明有效的“波包坍缩”如何作为在量子体系的态的印记的整个环境中增殖结果产生;能够提供推导把探测态的几率与它们的波幅联系起来的波恩规律的框架。这三项进步合在一起标志着对解决量子测量问题取得相当大的进展。”文中说:“经典物体在这里,或在别处,但是从不既在这里又在别处。然而,叠加原理说,局域化应当是罕见的例外,不是关于量子体系的一个法则。”文末说:“量子经典对应的性质已经被澄清。”这里我们看到,他为圆退相干理论,引用额外的超选择法则和量子进化论是必需的。


      在退相干理论中,考虑体系S的观察量F,它的本征态为|n>,定义约化密度矩阵


rho_S=sum_{nn'k} a_{nk}·a^*_{n'k}·|n><n'|


      k是环境的态的指标。设观察量Q=FI_E,I_E为单位算符,Q的平均值为


<Q>=sum_{nn'k} a_{nk}·a^*_{n'k}·<n|F|n'>


      退相干理论认为,体系S与环境的联合体系一般处于纠缠态,非纠缠态只是例外,而且经历或长或短的退相干时间后,环境的态由于统计平均而正交化,这时约化密度矩阵变为


rho_S=sum |c_n|^2·|n><n|


      这表示,体系S与环境的量子纠缠作用使得在或长或短时间之后干涉项消失,意味着准经典性的出现。然而,按前面节三.2和3中的见解,体系S与包括测量仪器在内的整个宏观环境不会发生量子纠缠,因此,引入约化密度矩阵无助于解决量子测量问题和量子-经典性质的过渡问题。


      布勃(J. Bub)在1997年出版的书《解释量子世界》中称退相干为诠释量子力学的新正统观念。祖瑞克在前述2003年的文章中说:“我相信,作为结果,退相干将成为课本知识的一部分。”不过大多数物理学家的态度还是很保守,泽赫在文章“退相干的根基和果实”中抱怨说:“大多数物理学家对退相干的潜在后果很冷漠,我真的很惊讶。”2009年10月泽赫在文章“退相干如何能解决测量问题”的最后修订稿中强调,薛定谔方程只适用于量子态的制备与测量之间的这种观点是不对的,认为退相干无关于对量子测量的理解不符合事实。又在2010年的文章“退相干概念的实质”中提到“退相干概念其实来自这个洞察,即纠缠描述根本的非定域性,不仅仅是统计相关性。”可见量子的非定域性概念对退相干概念的成立是多么关键。


      关于退相干的纲领和理论在文献中能见到许多说法:
(1)退相干是薛定谔方程的直接推论。
(2)与外部环境发生相互作用,导致量子相干性的衰减,即退相干。
(3)退相干是由于信息流入环境所引起。
(4)退相干解释了为什么宏观体系似乎具有熟悉的经典性质。
(5)退相干理论对为什么宏观叠加不存在的问题提供了一个满意的答案。
(6)经典世界只是作为量子关联渗漏进入环境的一个结果而出现。
(7)叠加仍然存在于环境中,但不存在于单独的系统中。
( 8) 我们经典世界的表观定域性是猛烈非定域性的后果。
(9)产生退相干的原因,是复合体系的纠缠态经历一段时间随机扰动导致态函数的分离。
(10)退相干是由于量子纠缠而导致的一个动力学过程。
(11)退相干是一个把纠缠有效地变成统计相关的动力学过程。
(12)退相干是一个自然选择过程。
(13)退相干是一种解释从量子关联过度到经典关联的理论。
(14)退相干提供了理解量子力学的新方式。
(15)退相干确实已获得了实验上的检验。
......等等。


      对退相干的纲领和理论既有批评,又有肯定。针对1991年《Physics Today》上祖瑞克的文章“退相干和从量子到经典性的过渡 ”,该刊在1993年的第4期上刊登了七位专家的评论,总标题为“商谈量子与经典世界间的狡猾分界线”。安德森(J. L. Anderson)提到:“祖瑞克概述了量子测量过程的描述,它包含在量子理论本身之内。这与如彭罗斯(R. Penrose)的观点截然不同,彭罗斯认为量子力学是不完备的,不能无外加物理地描述测量过程。...关于祖瑞克的文章,有两件事情令我困惑,...。”吉拉迪(G. Ghirardi)提到:“祖瑞克声称量子测量问题因他所描述的研究而正在解决获得越来越多的共识。”他不同意这个说法。吉辛(N. Gisin)表示:“我很惊讶,物理学家甚至像祖瑞克这样的专家提出了从薛定谔方程到对角的混合态[矩阵]的通道,作为量子测量问题的解答,或更一般,作为经典物理出自量子物理的信号。”阿尔伯特(D. Z. Albert)表示:“我们不认为,它[仔细分析测量的体系与环境的作用]回答了测量理论提出的问题——即在宏观层面上如何说明决定性的、经典的事态的出现,...。”霍兰德(P. R. Holland)指出:“试图纯用波函数和密度矩阵说明量子体系的经典行为未抓住这个要点:态的经典概念,即每一瞬间的粒子位置,在逻辑上是有别于态的量子概念,前者不东篱把酒黄昏后作为特殊情形包含在后者之中。...它意味着仅根据波函数的处理,从量子力学不能得到经典力学的概念一致的或数学的推导。”阿姆伯高卡(V. Ambegaokar)说到:“我不得不坦言,如果这[祖瑞克所做的]一切是在宇宙层面上诠释量子力学,我会感到失望。”而爱泼斯坦(K. J. Epstein)则称赞道:“祖瑞克的这篇文章是很清晰的和透彻的。”


      还有,安纳斯托普洛斯(C. Anastopoulos)在2002年发表的文章“关于退相干经常问的问题”中写道:“因此我们的结论是,环境引发的退相干本身不能解释宏观确定性质的出现,量子理论的实在论诠释还是需要一个附加的假设去说明宏观客体化,如同冯·诺伊曼的测量理论,艾弗雷特观点,坍缩模型或一致历史中的假设。”阿德勒(S. L. Adler)在2003年发表的文章“退相干为什么解决不了测量问题:回答安德森(P. W. Anderson)”中称:“我不相信,详细的理论计算或近期的实验结果表明退相干已经解决了与量子测量理论相关的困难。”卫贝(N. Wiebe)和巴冷廷(L. E. Ballentine)在2005年发表的“土卫七的量子力学”文章中说:“我们的结论是,对解释宏观物理经典行为的出现,退相干不是必需的。”看来对退相干纲领和理论的反对意见还是十分的强劲。


      我们在前面节三.1中论证,因为波函数对个别实体的描述不完备,波函数与测量发现的实体间的关系不是按薛定谔方程连续演化的前后关系。虽然测量不到的不一定意味着测量前不存在(如通过驻波节点的粒子),测量到的一定是在测量前存在的,测量的结果符合理论的几率预半夜凉初透言。在节三.2中,量子纠缠真莫道不消魂相的论证说明,纠缠是有条件的,放射粒子不会与猫整体纠缠,猫与地球不会纠缠,地球不会与整个宇宙纠缠。又在节三.3中论证并指出,宏观物体显现经典性是归于物体表面到内部的层层屏蔽效应,不是外部环境引发所致。宏观物体的局域确定性是本身的原形毕露,与宇宙背景辐射、阳光或周围分子的存在毫无关系。像宏观的薛定谔猫,对整体而言波动性可以忽略,在任何情况下都不会处于半死半活的叠加态,也不会与其它物体发生任何量子纠缠关系。这个屏蔽效应说明,物体愈大愈重就愈现经典性质,从现有的经验资料大致估计,大于50纳米的颗粒物体已呈现几乎完全的经典性,意即这样大的物体其整体运动完全遵从经典力学定律。祖瑞克在那2003年的文章中说:“我们无任何先验理由认为宏观物体有确定的位置和动量”,可是我们有足够可靠的经验理由认为宏观物体有确定的位置和动量,倒无任何先验理由认为微观粒子不具有确定的位置和动量。节三.1和节四.2中的论证表明,微粒无确定的位置和动量是一大错觉,只能说,在理论上微粒不能同时具有确定的位置本征值和动量本征值。


      泽赫在1996年发表的文章“退相干的纲领:思想和概念”中说:“量子关联[非定域关联]也将成为退相干的基础,从而——如现在看来——是被观察世界的全部经典方面的基础。”他又在“退相干的根基和果实”文中说:“正是因为纠缠被误解为不多于定域物体之间的统计关联,退相干的重要性在量子理论的头60年被忽视。”认为这种作用不会损害叠加性,但会迫使任何叠加进入可能的经典情况。前面我们已论证非定域作用,即超距作用,根本不存在,因此单从这点看,退相干的纲领和理论也是站不住脚的。


      退相干的纲领和理论的基本依据是:
1.量子力学是普适的和完备的。
2.量子力学底下的定域潜变量不存在。
3.退相干起源于体系与环境间的量子非定域关联。
      我们前面的论述已经否定了这些依据,现在的结论是,退相干的纲领和理论或类似的变种均无科学意义。同样,量子力学的退相干历史诠释也无科学意义。


4.量子态不可克隆定理的谬误


      1982年沃特斯(W. K. Wootters)和祖瑞克(W. H. Zurek)发表了题为“单量子不能被克隆”的论文,稍后,狄克斯(D. Dieks)在题为“用EPR通信”的论文中有类似的结论。1984年贝内特(C. Bennett)和布雷萨德(G. Brassard)在计算机、系统和信号处理国际会议上的报告“量子密码术:公钥分配和掷硬币”中提出一种量子加密法,此后出现一种说法:根据量子力学的不确定性原理以及量子不可克隆定理,任何窃听者的存在都会被发现,从而保证密码本的绝对安全,也就保证了加密信息的绝对安全。单量子不可克隆定理(或称未知量子态不可克隆定理)是从量子力学的叠加原理“推导”出来的,所以说,量子加密万无一失的绝对安全性为量子力学原理所保证。贝内特和布拉萨德的原话是:“因为这种克隆可以被证明与量子力学的基本原理不一致。”


      2009年沃特斯和祖瑞克在《Physics Today》上又发表题为“不可克隆定理”的文章,写道:“叠加原理是量子力学的基石。”“麻烦来自拷贝的固有非线性。”“在量子世界里,物理规律对拷贝加上严厉的限制:不可能对一个未知态做完善拷贝。”“单个克隆体不能对每种量子态做完善拷贝。”他们的文章最后说:“实际上,量子态的本性仍然是热烈争论的主题,不可克隆定理表达的对拷贝的限制是讨论的一个重要部分。”的确,这个定理的建立与对量子态本性的认识有关,不同认识会有不同结论,错误认识不免产生错误结论。


      1916年爱因斯坦的量子辐射理论证明辐射放大的可能性,按他的理论,上世纪中期发明了微波激射器和激光器。我们清楚知道,在气体激光媒质中,光子的增益不依赖偏振方向,故只要准备充分条件,对未知的任意方向偏振的光子原则上都能拷贝,即克隆。受激辐射必伴随自发辐射,但它不限制完善克隆的可能性。如果光子不能完善克隆就不会有激光器。再说,量子力学是线性理论,然而不是一切实际量子过程(像制备过程或测量过程)都是线性的,即不能原则上从量子态的线性推论某个非线性过程一定不可能发生。


      现在我们来分析光子拷贝的情况。令☆为拷贝算符,例如,对45度的偏振态的拷贝形式上可以写为


☆|45>=☆0.707(|v>+|h&gt ;) =0.5(|v>+|h&gt ;) (|v>+|h&gt ;) =0.5(|vv>+2|vh>+|hh&gt ;)


      这式表示拷贝算符不是一种线性算符。我们将证明这种非线性与叠加原理并不冲突。对个别微粒,当考虑到量子态叠加性与测量结果的关系时,必须区分非空态(以●(.)表示)和准空态(以○(.)表示),则对光子的45度偏振态的拷贝可能有三种结果:


(1) ☆|45>=0.5[●(|v&gt ;) +○(|h&gt ;) ][●(|v&gt ;) +○(|h&gt ;) ]
          =0.5[●(|v&gt ;) ●(|v&gt ;) +2●(|v&gt ;) ○(|h&gt ;) +○(|h&gt ;) ○(|h&gt ;) ]


(2) ☆|45>=0.5[○(|v&gt ;) +●(|h&gt ;) ][○(|v&gt ;) +●(|h&gt ;) ]
          =0.5[○(|v&gt ;) ○(|v&gt ;) +2○(|v&gt ;) ●(|h&gt ;) +●(|h&gt ;) ●(|h&gt ;) ]


(3) ☆|45>=0.5[●(|v&gt ;) +○(|h&gt ;) ][○(|v&gt ;) +●(|h&gt ;) ]
          =0.5[●(|v&gt ;) ○(|v&gt ;) +●(|v&gt ;) ●(|h&gt ;) +○(|v&gt ;) ○(|h&gt ;) +○(|h&gt ;) ●(|h&gt ;) ]


      这些式子中包含着:


●(|v&gt ;) ●(|v&gt ;) =●(|vv&gt ;) (在偏振分束器后的一条光路上出现两个|v>态光子)


●(|h&gt ;) ●(|h&gt ;) =●(|hh&gt ;) (在偏振分束器后的另一条光路上出现两个|h>态光子)


●(|v&gt ;) ●(|h&gt ;) =●(|vh&gt ;) (在偏振分束器后的两光路上各出现一个光子)


      其余的项都出于包含准空态的拷贝。可见,上述情况,在统计意义上,完全与前面式子表示的拷贝结果(|vv>+2|vh>+|hh&gt ;) 一致。


      然而,对任意态(a|v>+b|h&gt ;) ,沃特斯和祖瑞克认为按量子态叠加原理(用乘法分配律),拷贝的结果应该是一个纠缠态:


☆(a|v>+b|h&gt ;) =☆a|v>+☆b|h>=aa|vv>+bb|hh>


      这与结果(aa|vv>+2ab|hv>+aa|vv&gt ;) 矛盾。那么究竟哪一个结果是合理的呢?从节三.2中认识的量子纠缠真莫道不消魂相和光学线性媒质中不可能产生光子的纠缠态来判断,前式是错的,后式对的。然而他们认为前式是对的,后式是错的,于是做出结论,除水平和垂直偏振的之外,对任意偏振的单光子的克隆是不可能的。他们在2009年的文章“不可克隆定理”中给出一个图并解释道:“(a)一个垂直偏振光子会产生两个垂直偏振光子,二者在偏振分束器上做了“垂直”选择。(b)一个水平偏振光子会产生两个水平偏振光子,二者在偏振分束器上做了“水平”选择。(3)因为量子力学是线性的,一个对角偏振光子——垂直的和水平的叠加——只能产生(a)和(b)所示的测量结果;它不能产生图示的[产生两个对角偏振光子]结果。假如对角偏振被正确克隆,则这样的结果是可能的。因此量子力学的线性禁止任意态的克隆。”他们的结论其实是自相矛盾的,因为,例如对各向同性的光放大媒质,从旋转对称性考虑,如果能克隆水平偏振的光子,那么偏振旋转任意角度的光子照样能克隆,反之,如果任意态不能克隆,转到水平方向也不例外。要不自相矛盾的话,只有一种选择,取a和b都等于0的情形,这样一来,结论只能是,光的放大不可能,这显然与事实不符。


      克隆羊多莉问世说明DNA分子中的信息可以克隆,这个事实直接威胁“未知量子态不可克隆定理”。为此,2000年祖瑞克发表题为“薛定谔的羊”的文章,其中说:“毕竟DNA分子由千真万确的量子原子组成。所以要问,为什么量子禁戒在羊的DNA的操纵信息上停止?”还要问“如果量子理论普遍有效,那么它如何与实验的实在(这里,羊的克隆)一致?”他的回答是:“[那是]由于体系与环境作用,即所谓退相干。”“基因的信息能够安然拷贝,因为它不是以叠加态编码。”又说:“完善的克隆是不可能的,但是,如近年的研究证明,我们每时每刻能够做近似克隆,或者,有些时候能够做完善的克隆。”还有,祖瑞克在2009年发表的文章“量子进化论(Quantum Darwinism)”中提到:“量子进化论导致环境中体系的态的多重拷贝。然而,不可克隆定理禁止未知量子态的拷贝。”对此他解释说:“克隆是指(未知的)量子态而言。所以,观察量的克隆规避这个定理。”这些都是为这个定理做辩护。


      祖瑞克强调只是“未知的”量子态克隆被禁止,因为对已知的量子态,能够简单地一模一样制备(拷贝),意即制备量子态的机器本质上不同于拷贝量子态的机器,前者可以不顾量子态叠加原理。然而,我们很清楚,激光器是量子态的制备器,而就其中的光放大作用而言,它又是量子态的完善(保真度100%)拷贝器,这里是依靠拷贝来实现制备的,激光器内的连续放大(克隆)相当于连续制备。祖瑞克认为量子理论普遍有效,不仅适用于量子态的制备与测量之间,当然也包括量子态的制备和测量在内,那么,假如(未知的)量子态的克隆被禁止,同理,(已知的)量子态的制备也要被禁止,否则自相矛盾。能否克隆取决于客观法则,它不依赖于我们对被克隆态的未知还是已知。如上论证,鉴于量子力学对物理实在的描述不完备,量子态的制备与拷贝都与量子态叠加原理并行不悖、互不冲突,因此未知量子态不可克隆是一个伪命题,一个伪定理。老师拿着激光教鞭指指点点讲解量子不可克隆定理是极大的讽刺,因为这教鞭是否定这个定理的最好证据,其中由少量的自发辐射光子克隆出无数保真度为100%的光子,直到达到与谐振腔内激光的总体损失达到平衡为止。事实上,量子可以被完善克隆,用种种理由维护这个定理是可谓抱残守缺。


      一般认为不确定性原理和未知量子态不可克隆定理构成量子密码安全性的理论基础。这个定理的重要性在于,假如没有这个定理,通过量子态的多重拷贝和在各拷贝上测量不同的共轭性质,就有可能绕过不确定性原理同时精确得知原来量子的一对共轭性质,这样量子密码就能被窃听和破解,因此认为这个定理确保了量子密码的绝对安全。量子态不可克隆被认为是量子力学的固有特性,是量子信息学的基础和为量子密码的安全性提供理论保障。据报道,郭光灿院士说:BB84量子密钥方案在理论和实验上都被证明是绝对安全的技术,2009年他的团队在安徽芜湖建成量子政务网。同年,潘建伟小组在合肥建成光量子电话网,称绝对安全的量子通信由实验室走进了日常生活。据悉,鉴于同样理由,山东省政府将投资1.22亿元与中科大合作建设山东量子通信试验网工程。与美国政府在新一轮科技计划中停止对量子密钥分配的经费支持对比,在我们这里则方兴未艾、欣欣向荣。因量子力学难以理解,最近在密码专家的正式论坛上,现代密码派斗不过有这个定理支撑的量子密码派。很不幸,鉴于这个定理荒谬,现在的结论是,称量子密码原则上不可破译、绝对安全、万无一失、永远解不开,都是假大空话。


5.隔空传物理论的谬误


      量子物理中的术语隔空传物(teleportation)也被译作量子隐形传态、量子(态)隐形传输、量子(态)离物传输或量子(态)超空间传输。量子隐形传态的初次“实验实现”,即隔空传物可能性的“实验证明”,被看作是里程碑式的成就,说破天荒也不过分。隔空传送量子态或信息,似巫术,据说是凭借一种非定域的神奇力量实现的。定域或非定域一词在不同场合有着不同的含义,在涉及相互感应、相互影响、相互作用的情形时,非定域作用是指那种无论距离多远的、无滞后瞬间的、无需媒介的、无可阻拦的超时空作用,常称超光速作用或类空作用。1993年,贝内特等6人根据纠缠粒子的所谓“非经典关联”,即非定域关联(非定域性),提出一个隔空传物理论和通信应用方案,论文的题目为“通过经典的和EPR的双通道隔空传输一个未知量子态”。惊人的是,奥地利泽林格领佳节又重阳导的研究组和意大利马提尼的研究组各于1997和1998年报告量子隐形传态实验实现。后者比前者投稿早了三个月,争要优先权。贝内特自己把隔空传送量子态比作伏都,伏都教(voodoo)的巫师擅长通灵术,替人除祸消灾。


      隔空传物理论和所谓“实验实现”产生的反响耐人寻味。诺贝尔物理奖得主约瑟夫森2001年在一篇短文中写道:“量子理论与信息和计算理论现在已被富有成效地结合起来。这些发展可以导致对像传心术等过程的解释,传心术是不列颠的研究前沿领域,这些过程在传统科学中还是不能理解的。”一位博士在试论“气”的物质属性一文中谈到:“许多高功夫师都能感觉到意念的瞬间性可能是超光速的(不同于电磁波),量子力学长期以来也坚持量子作用是超光速的(称为非定域性),...这一点对于揭示气功外气的量子属性有很重要的意义。”中国科技大学潘建伟教授说:“也许在某个世纪,真的能够传输人类本身,就像《星际旅行》中的科学幻想。”他的前博导泽林格估计“也许一千年后真的能够隔空传输一只咖啡杯。”最乐观的是,2006年的美国《福布斯》杂志对20年后新职业预测中有隔空传物专家一项,写道:“想象[他或她]走到街区尽头的隔空传物站,被拆毁身体,接着就在上班处出现。汽车不会有了,汽车修理工不需要了,加油站服务员不需要了,基于隔空传物器的全新经济可能发展起来。”此类梦想,不一而足。


      关于量子隐形传态和隔空传物有许多正面说法:
(1)量子隐形传态是经由经典通道和EPR通道传送未知量子态。
(2)EPR在量子信息中最重要的应用就是量子隐形传态。
(3)量子隐形传态是量子力学奇妙特性的一种应用。
(4)量子隐形传态是间接量子态传输方式,它基于非定域性。
(5)量子通信是利用量子纠缠效应的一种新型通信方式,量子隐形传态是这种方式的原理演示。
(6)量子隐形传态是量子信息理论的重要组成部分,也是量子计算的基础。
(7)量子隐形传态是很多量子通信和量子计算的基础步骤。
( 8) 量子隐形传态是一种精确传输量子态的方案,是一个典型的量子电路。
(9)量子隐形传态是量子纠错和分布式量子信息处理所需要的关键技术。
(10)单光子量子态隐形传输是量子信息发展的一个里程碑。
(11)实现更大尺度的原子和分子的量子隐形传态也已为时不远。
(12)实验证明了量子隐形传态的客观存在。
(13)重大科技突破:量子隐形传态技术开发成功。


(14)作为未来量子通信网络的核心要素,量子隐形传态是一种全新的通信方式。
(15)量子通信中最基本的原型就是量子隐形传态。
(16)量子信息可以实现诸多经典领域所不能完成的信息处理任务,例如量子隐形传态。
(17)在量子通信中,使得纠缠态具有重要意义的主要是量子隐形传态技术。
(1 8) 量子纠缠为量子隐形传态和绝对安全的量子通信提供了保证。
(19)一个量子态在八达岭消失后,在并没有经过任何载体的情况下,瞬间出现在了16公里以外。
(20)在量子态隐形传输经历的漫长旅程中,每一点距离的进步都可以被视为一座里程碑。
(21)实验证实了在自由空间进行远距离量子隐形传态的可行性。
(22)基于量子隐形传态过程,可以实现多端分布运算,构成量子因特网。
(23)假以时日,或许未来能够传输人类本身,《星际旅行》中的科学幻想或许能变成现实。


(24)或许有一天,人类就将带着自己的喜悦、痛苦,甚至打着喷嚏就被瞬间传输到遥远的外太空。
(25)在科幻小说《星际旅行》的故事中,星球战士从某一地点突然消失,而瞬间地出现在遥远的另一地点。那么,现实生活中是否真的存在这样的过程呢?实际上是存在的,这就是量子隐形传态。
(26)量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义,而且可以用量子态作为信息载体,通过量子态的传送完成大容量信息的传输,实现原则上不可破译的量子保密通信。
(27)量子隐形传态可用于大容量、原则上不可破译(万无一失)的保密通信,也是量子计算的基础。
(2 8) 实验实现了光子比特与原子比特之间的量子隐形传态。
(29)利用量子隐形传态可做量子逻辑门CNOT(受控非门)。
(30)量子隐形传态在量子稠密编码和量子密码术中有许多应用。
...等等。


      这里不便写出贝内特等的隔空传物理论,那就来杜撰一个故事作隐喻。譬如,北京要派孙悟空立刻去深圳任动物园园长,巧遇特大台风和洪水,一切交通中断。幸好两地都有隔空传物专家以及有双胞胎猴子可以帮助解决问题。这对猴子,一只在北京,一只在深圳,都持有同胞的全部信息,好比是互相纠缠的。现在北京的隔空传物专家按程序首先要做的是,把老孙-猴子联合体按特定方式拆分,用数学语言,即把描述老孙的态矢量与这对猴子的纠缠态张量的“张量乘积”投影到描述四只八卦炉的各个态张量上。四只炉子是四对双胞胎猴子的化身,代表老孙与猴子的四种不同基本纠缠方式,专干对老孙进行脱胎换骨的勾当。贝内特等人的理论表明,在2号炉上的投影正好是同胞的全部信息,而在1号上的变了,右侧各器官都扭转了180度,在4号上左右反了,而在3号上的,不仅左右反了,右侧各器官还都扭转了180度。这时深圳的猴子当园长要等老孙在北京被销毁,因为按“量子态不可克隆定理”,拷贝是“被禁止的”。按理论,他进哪一只炉子是随机的,几率各占四分之一。这回老孙随机闯进的比如是2号炉,专家笃信他包含的全部信息刚好原样转移到深圳那只猴子身上。一当用手机向对方告知是2号,深圳猴子就被“核实”变成地道的孙悟空了,荣任动物园园长。如果不是2号,也很简单,只要按告知的炉号,用相应的“线性变换”做一下外科手术修复就行。听起来像煞有介事,然而悟空窃喜,专家们混淆虚实,颠倒远近,把俺老孙的信息就地替换深圳猴子的全部信息,当作信息在量子信道上的隔空传送了。实际上,隔空传送量子态或信息绝无可能,更谈不上通过传输的量子态把原物重构出来。
 
      前面已经论证,量子纠缠并不意味着非定域性或幽灵隔空作用的存在,因此依据非定域性的隔空传物理论,即量子隐形传态理论,纯属数学游戏,是在物理上混淆虚实、颠倒远近的产物,科学史上没有一个理论比这个理论更荒唐。非定域关联既不存在,何来量子隐形传态的实验实现?何来传送的保真度?恐怕连一条量子态编码的短信“您好”也不可能隔空传送成功,然而虚假的实验成果还是不断涌现,科学史上没有一个时期有如此多编造的实验。必须指出,在量子隐形传态实验中用半反半透镜加符合计数的贝尔态测量和用这种方法制备多光子纠缠态都是胡作非为,实验物理学家怎么能如此轻信某些理论物理学家的意见和再三如此轻率地从事实验工作。这种方法不仅出于对量子纠缠本性的误解,而且利用了波函数坍缩假设。这个假设的始作俑者海森伯在1960年明确表示过:“导致态坍缩的记录作用不是物理过程,宁可说是数学过程”,非物理过程怎么会对纠缠光子有实际作用呢。对神话和巫术,不妨一笑了之,但是,我们不能不冷静地、认真地思考一下目前一种流行的说法:“量子隐形传态可用于大容量、原则上不可破译(万无一失)的保密通信,也是量子计算的基础。”这个魅力无限的梦想前景吸引了不少量子世界的拓荒者和投资者。十余年来,量子隐形传态及其相关的研究成果被吹得天花乱坠,实际上,实事一项无成。以笔者之见,不仅量子隐形传态,一切取决于非定域性的信息技术开发方案都不能指望成功,更不能指望通过这类研究来否定爱因斯坦一生坚持的定域实在论思想。


六.结论


      总之,看来科学也有倒退的时候,暂时的倒退也许能引发一次新的跃进。现时世上居然传播着一条我们物理学家盲目编造的特大、特时髦的谎言:当测量一个粒子时,另一个与之关联的粒子会瞬时改变状态,无论它们相距多么遥远。这个隔空联动情况称非定域关联,常称非定域性。谁知竟不断有圆谎实验演示震惊世界,而且喋喋不休鼓吹成就斐然。著名瑞士物理学家尼古拉·吉辛夸口:“未来的科学史家将把我们的时代描绘为非定域性伟大发现的新纪元。”著名奥地利物理学家安东·泽林格根据非定域性相关的理论和自己的实验结论预半夜凉初透言:“也许一千年后真的能够隔空传送一只咖啡杯。”爱因斯坦曾称之为幽灵隔空作用和传心术,薛定谔直指之为巫术,连最信非定域关联的查尔斯·贝内特都坦言它像伏都教的通灵术。可怕的是,这条编造的谎言泛滥于各种媒体,包括顶级学术期刊、教科书和科普读物。很遗憾,郭光灿院士担纲撰写的《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》一书,也宣扬错误的思想、错误的概念和错误的理论,以及宣扬虚假的实验事实,这恐怕会严重误导公众及误人子弟,有悖于芦笛曲丛书的出版宗旨,这套丛书肩负国家科技计划科普化的示范,不同于科幻书籍和消遣读物。我国科普法中有一条:“科普工作应当坚持科学精神,反对和抵东篱把酒黄昏后制伪科学”。不管打着什么样的科学旗号,宣扬幽灵隔空作用和隔空传送信息无异于宣扬传心术,老百姓都能判断,这种法术不折不扣属伪科学。量子力学是正确的,可以预期,这理论中导致伪科学兴起的某些错误推论,编造的实验,以及种种诡辩,都必定终将成为反面教材和世人的谈笑资料。为从根本上反对和抵东篱把酒黄昏后制这类伪科学,现在这篇文章中讲了对量子真莫道不消魂相的探究结果和对量子力学的理解,并指出对它的误解会引起许多谬误,如波函数坍缩假设的谬误、贝尔不等式的谬误、量子退相干纲领的谬误、量子态不可克隆定理的谬误和隔空传物理论的谬误。特别强调,量子纠缠决不意味着存在幽灵隔空作用,倒似乎暗示着真莫道不消魂相:“幽灵缠身、阴魂不散”,二者的关联是特别定域的。这个比喻的“幽灵”在物理上就是量子纠缠中另一个初包的不含峰片,这个论断合乎逻辑,也很直观,重要的是消解EPR佯谬,也说明量子论与相对论无冲突,以及终结了爱因斯坦与玻尔在量子实在性和量子力学完备性问题上的争论。初包的不含峰片是一种准实体,一切量子现象中都有它们的身影,无它们就无量子世界和量子理论。描写微观粒子的初包模型是对量子力学的本体实在论诠释,这个模型综合了微观客体的波粒二象性质,根本上调和了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说的冲突。以上这些只是个人的见解,不过,即使没有这个模型,我们也可以像爱因斯坦和薛定谔等前辈那样,绝对不信自然界会有那种隔空联动情况发生。《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》书中也说:“即使超距作用最坚定的支持者也不得不承认,至今还没有一个实验确定无疑地证实了超距作用的存在”。这是真话,否认这点要么是搞错,要么糊涂,或者另有目的。在应用上,恐怕连“您好”这样一条最简单的信息也不可能隔空传送成功,不用再说别的。量子纠缠的非定域性不是一个谜,而是盲目编造出来的谎言,因此毫不奇怪,基于非定域关联的量子隐形传态、永远解不开的量子密码和量子计算等,过去实事一项无成,未来也无望会有任何成就。现在可以肯定,量子纠缠本身是一种特别的定域关联结构,而不是一种隔空联动效应,所以所谓量子的非定域性并非伟大的发现,而是一个世纪大谎言,务必彻底揭露之,并清算它的祸害,让量子力学基础的研究和量子信息技术的开发回归正道。如任其下去,可能会同其它巫术科学一样,有从愚蠢迈向欺诈的危险。钱学森大师曾经呼吁我们中国的物理学家和哲学家投入这非定域性的研究,无疑这是为基础科学和哲学发展作贡献的一个难得良机。


      爱因斯坦的幽灵或有或无,即非定域性或有或无,非此即彼,这里的断言同爱因斯坦的断言——不可能有幽灵隔空作用。那么是如何无中生有的呢?1952年玻姆称他发现的量子势的作用是非定域的,1964年贝尔称他发现的不等式表示量子力学与定域性不相容,1981/1982年阿斯派克特等的实验结果与量子力学的预半夜凉初透言相符,而通过贝尔不等式推论爱因斯坦的定域实在论思想是错误的。这样,对一些实验事实因贝尔不等式被过多联想和推论(节外生枝),盲目编造出谎言,又把谎言当真,根据谎言再接连编出谎言,为了圆谎,谎言又越来愈多,一发不可收拾。这种盲目编造的谎言不仅广泛出现在学术论文中,并进入教科书,以致把量子物理学的发展和一代量子物理学家引向歧途,特别是使光量子信息技术研发成为奇特热门。他们也许原本想使量子力学更好地被理解,实际效果刚好相反,物理学与巫术联姻会产生什么效果,这种联姻在科学史上绝无仅有。从相对论原理、爱因斯坦的分离性原则和这里对量子纠缠真莫道不消魂相的认识可以判断,实验实现量子隐形传态是弥天大谎,实验演示多光子纠缠是魔术,永远解不开的量子密码是假大空话,还有利用量子隐形传态的量子计算机也无望做成。据知,美国政府在新一轮科技计划中,已停止对光学量子信息处理(量子计算和量子密钥分配)研发的经费支持,那不无道理。无论任何信息或什么量子态或唯信息论中所谓的原物都绝无可能被隔空传送,任何东西的传输离不开载体或媒质,这是毫无疑问的。以量子非定域性和量子隐形传态为立论依据的项目列入国家863、973计划等有害无益,与科教兴国、富民强国的战略目标背道而驰。还有更为重要的,在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》中,与量子理论相关的有量子调控和纳米技术两项,其目标是实现跨越式发展和占领制高点。量子调控是指对单量子体系的调控,是对多量子系综统计性调控的跨越式发展。这个量子调控项目是在不知量子相干行为的起源,不知量子纠缠的真莫道不消魂相和不知量子-经典的边界情况下立项的,“十一五”中也没有直接针对这些方面的研究课题,所以还不足以体现量子力学基础的研究。“十一五”已经结束,“十二五”即将开始,在新一轮计划中应重视量子力学基础的研究。在这评论《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》之际,要提一个建议,在“十二五”的量子调控计划中,不要再资助那些明显出于对量子力学误解的研究,特别应排除一切以荒唐的非定域性为依据的研究课题,以杜绝继续在“十二五”名义下冠冕堂皇地出虚假成果。


背景资料:
(1)弥天大谎:实现量子隐形传输
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=335606
(2)量子魔术:实验演示多光子纠缠
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=347314
(3)假大空话:永远解不开的密码
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=341476
(4)论爱因斯坦-玻尔争论之症结
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=217061
(5)对量子态叠加原理的理解
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=278897
(6)对海森伯不确定关系式的理解
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=318673
(7)谁说玻姆力学是非定域的
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=279698
( 8) 贝尔不等式的谬误与祸害
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=271637
(9)波函数坍缩假设的谬误与祸害
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=271791
(10)隔空传物理论的谬误与祸害
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=271693
(11)量子不可克隆定理的谬误与祸害
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=269438
(12)爱因斯坦调和微粒说和波动说百周年纪念
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=281427
(13)量子干涉实验的试探性解释
http://arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0501/0501148v1.pdf
(14)隧穿时间问题的实在论解答
http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0706/0706.3510v1.pdf
(15)量子纠缠的定域性
http://arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0512/0512195v1.pdf
(16)寻找桥接量子力学和经典力学间缺口之方法
http://arxiv.org/PS_cache/physics/pdf/0512/0512100v1.pdf
(17)WKB 近似法的替代版和经典性出现的解释
http://arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0612/0612203v1.pdf
(1 8) 爱因斯坦的时钟概念和时钟佯谬
http://arxiv.org/PS_cache/physics/pdf/0501/0501131v1.pdf
(19)超短光脉冲和光子概念
Proc. SPIE Vol. 1032, pp. 428-431 (198 8) .
(20)光和实物的统一性与物理学基础探讨(Ⅰ)——相对论和量子论带来的困惑
《物理》,第20卷,第7期,第428-432页,1991年.
(21)光和实物的统一性与物理学基础探讨(Ⅱ)——能为爱因斯坦的未竟夙愿做些什么?
《物理》,第20卷,第8期,第498-502页,1991年.


(王国文,北京大学物理学院,2010年12月25日)

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Aug 04 2010

王国文:王国文教授近期言帘卷西风

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王国文:王国文教授近期言帘卷西风


      2006年在湖南举行的第13届激光物理讨论会上,国际知名激光物理学家沈元壤教授批评了所谓的热门课题,他说:“大家都喜欢做所谓热门课题,我们开玩笑说,如果美国要打败日本等其他国家,一个办法就是想出一个永远也做不成的题目,花一笔钱下去,让其他国家跟着做,然后自己过几年就撤,让别的国家继续花钱下去,这样就会将其他国家都击败了。”


      现在搞光量子信息的专家好像太心浮气躁,以致丧失科学精神。对什么是科学精神,托马斯·威斯(Thomas M. Weiss)概括得很好:“对逻辑的尊重,对探索论据的想望,对认识和理解的渴望,对推论的深思熟虑,对前提的深思熟虑,要求验证,以及质疑一切。”(a respect for logic, a desire to search for data, a longing for knowledge and understanding,a consideration of consequences,a consideration of premises, a demand for verification,and to question allthings.)


      有人说量子力学:无人理解,无所不能。不过,我们,特别是搞光量子信息的专家,不能因此就可以:胡言乱语,胡作非为。某些人为证明一条谎言正确,再编造出另一条谎言,这样谎言就愈来愈多,谎言成了堆,以致当你在揭穿某条谎言时,其余大批谎言的口水泛滥到能把你淹死,胡作非为者有持无恐,这是不是我们目前面临的可怕情况?至于那些到底是不是谎言是最值得讨论和辩论的,关系到科学发展的方向、人才培养和纳税人的血汗。


      不反对量子通信研究,希望你们学好学透,未来的事业寄托在你们身上,但希望不要被谎言所迷惑,至少也得保持警惕。反对的是,称量子通信是“无法窃听的通信手段”这种根据不可靠的话,不能因此花百亿去打水漂。量子力学并不意味着量子隐形传态的可能性,因此原则上不可破译的保密通信无基础可言。无论芜湖的量子政务网,还是合肥的光量子电话网,或其它计划建设的量子通信试验网,能通信是真,有永远解不开的密码是假,希望有关部门不要以此假大空话为理由搞越来越大的工程,那将是一个投钱的无底洞,一个大笑话。还是先老老实实从基础做起为好。


      “无法破译指的是在合理时间内不能破解”,有这个认识就好,因有别于“永远解不开的密码”之说。至于“单量子的不可克隆定理”,它与对量子态叠加原理的理解有关,不同理解会得出不同结论,这定理可能也是一大谎言。

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Jul 26 2010

王国文:量子魔术:实验演示多光子纠缠

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王国文:量子魔术:实验演示多光子纠缠


[摘要]对于量子纠缠,与其相信鬼魅隔空作用,不如相信阴魂缠身,这个“阴魂”就是初包的不含峰片,一种准实体。一切量子现象背后捣鬼的正是这种准实体,无准实体无量子力学。非定域关联,即鬼魅隔空作用,在自然界子虚乌有,只虚构在某些量子力学专家的头脑里,怪不得此种影响可以瞬间远达天边,无需媒介,也没有任何东西能阻挡。把非定域关联归于量子力学的推论是完全错误的,出自对这理论的原则性、根本性误解。以往实验演示的量子隔空传输是巫术,实验演示的多光子纠缠是魔术,永远解不开的密码是空话。

    所谓多光子纠缠,是指三个或更多个光子的纠缠。现在常用自发参量下转换产生纠缠光子对,那是利用了晶体的二阶光学非线性效应。因三阶非线性效应非常小,靠它产生能用于实验的纠缠的三光子,尚希望渺茫。十余年来,实验演示的多光子纠缠,都是用线性光学的办法产生。奥地利泽林格组在1998年的一篇文章(第一作者潘建伟)中写道:“我们在实验上能够纠缠自由传播的粒子,它们在物理上彼此从无相互作用或从无有过动力学上其它任何方式的耦合。这证明了量子纠缠既不要求被纠缠粒子有共同的来源,也不要求曾有过相互作用。在我们的实验中,我们取两对偏振纠缠光子,并使各对中的一个光子受到贝尔态测量,这使得另两个出射光子投影[坍缩]进入一个纠缠态。”问题是,用这种办法产生的是真的纠缠态吗?

    线性光学分束器--半透半反镜,本身并无纠缠光子的作用,但是泽林格等认为符合计数测量引起的波函数坍缩--“后选择”,能使前置的分束器成为量子纠缠器。据报道称,三、四、五、六光子纠缠早已“实现”,而今,潘建伟组在2010年5月出版的《自然·物理》上发表了文章“超纠缠10量子比特薛定谔猫态的实验演示”,称再次刷新了纠缠态制备的世界记录,居世界领先地位。该工作获得科技部重大科学研究计划、中科院知识创新工程重大项目、国家自然科学基金项目等的资助。看来投入的资金十分可观,也说明有大批专家支持。

    上述方法起初用来产生二光子纠缠态,用于量子隔空传输中的贝尔态测量,早见于泽林格组文章(1997年,NATURE):实验的量子隔空传输(Experimental quantum teleportation)(第二作者潘建伟),该文入选《自然》特刊物理学百年经典之作,被称为有里程碑意义的成就。此后包含运用此种贝尔态测量法宝的“成果”一个接一个出现。最近有潘建伟组文章(2010年,NATURE):实验的自由空间量子隔空传输(Experimental free-space quantum teleportation),称是“迈向全球化量子通信应用的重要一步”。后面将看到,包含此种贝尔态测量的实验路线都是错误的,由此只能编造出虚假的成果。

    用线性光学办法制备“多光子纠缠态”,方法简单而廉价,据称已有多种应用和广阔的应用前景,下面列出一些有代表性的论文:
(1)制备三光子纠缠态,泽林格组文章(1999年,PRL):三光子GHZ纠缠的观察(Observation of three-photon Greenberger–Horne–Zeilinger entanglement)(第二作者潘建伟);
(2)制备四光子纠缠态,泽林格组文章(2001年,PRL):四光子纠缠和高保真度隔空传输的实验演示(
Experimental demonstration of four-photon entanglement and high-fidelity teleportation)(第一作者潘建伟);   
(3)制备五光子纠缠态,潘建伟组文章(2004年,NATURE):五光子纠缠和终端开放隔空传输的实验演示(Experimental demonstration of five-photon entanglement and open-destination teleportation);
(4)制备六光子纠缠态,潘建伟组文章(2007年,NATURE):图态中六光子的实验纠缠(Experimental 
entanglement of six photons in graph states);
(5)制备10量子比特纠缠态,潘建伟组文章(2010年,NATURE):超纠缠10量子比特薛定谔猫态的实验演示(Experimental demonstration of a hyper-entangled ten-qubit Schrodinger cat state)。
    问题是,这里的多光子纠缠是不是真的纠缠,如果名不副实,那么大谈应用就如画饼充饥,在国际顶级期刊上发表,笑话可闹大了。

    例如,我们来看所谓的四光子纠缠是如何“实现”的。设光子A和B是纠缠的和光子C和D也是纠缠的,假如能使B和C纠缠起来,那末四者就纠缠起来了。关键是如何把B和C纠缠起来。泽林格等的办法是,让B和C从半透半反镜的左右各侧以45度倾角入射,设B是水平极化(H)的,C是垂直极化(V)的,镜后两侧各置单光子探测器,把探测信号接到一个符合计数器上。如果获得一个符合信号,说明出射光子同时各在一侧出现,按“理论”,这时这对粒子的极化态(偏振态)的投影态(坍缩态)为:

|Psi^{-}>=0.707(|V(左)>|H(右)>-|H(左)>|V(右)&gt ;)

这里^{-}表上角码“-”,0.707代表根号2的倒数。在形式上,这是一个纠缠态,是四种贝尔态之一。这样,就以为通过B和C的纠缠使那四个光子纠缠了起来。还可以如法炮制,以获得更多的光子的纠缠态。上面提到的“理论”说:“尽管两个光子之间(以及分束器中)并不存在可以令光子极化状态发生改变的相互作用,但“全同性原理的交换作用+符合测量坍缩”还是使两光子的极化状态发生了改变--纠缠起来。”问题是,波函数坍缩是不是物理过程。

    早在1927年索尔维会议上爱因斯坦反对波函数坍缩思想,不能想象一个无限扩展的平面波会在探测屏上瞬间坍缩成一个无限窄的脉冲。波函数坍缩假设是海森伯1929年正式提出来的,虽从未获玻尔认可,还常被认为是哥本哈根学派思想的主要组成部分。1932年冯·诺伊曼假设,在实验或测量时态矢会发生不连续的、非因果的、瞬时的、不可逆的变化(坍缩),他把它看作是物理事件,称之为测量的投影假设。1960年海森伯明确表示:“导致态坍缩的记录作用不是物理过程,宁可说是数学过程。随着我们的知识的突然改变,我们知识的数学表示当然也经历突然的改变。”2000年在法兰克福的一个讲座期间,纳克曼孙问泽林格:“包含发生坍缩的波函数的位形空间在哪里”,回答是:“在我脑袋里。”非物理过程怎么能利用来纠缠光子呢。事实上也无波函数坍缩过程的任何实验证据,有些学者因此称这坍缩假设臭名昭著、声名狼藉(infamous/notorious),他们关注或欢迎不含波函数坍缩的量子力学诠释,像玻姆诠释,多世界诠释,一致性历史诠释或系综诠释。

    关于探究量子干涉和量子纠缠的真莫道不消魂相说来话长,涉及量子行为的起源和量子力学的诠释问题。探讨这些问题,我们免不了要去猜想量子力学数学形式体系背后潜在的量子实体和潜在的变量。曾经有各种各样关于量子力学潜变量不可能存在的证明,指出不发散态不可能存在。无疑量子力学波函数不可能线性叠加出绝对不会发散的态,但是事实上一个电子或一个原子是稳定的,所以潜变量不可能存在的结论很可能其根据偏面或证明绕同义反复的圈子。量子力学是线性理论,可是要做出一个满足线性方程的像粒子的不发散波包似乎束手无策,无路可循,几乎令人绝望,因而有人把眼光转向非线性理论,特别是德布罗意本人和他的巴黎学派。爱因斯坦也有这个倾向,在他看来,真正的规律不会是线性的,也不能从这样的线性规律获得。很自然,我们最容易想到的潜变量是粒子的位置、动量和角动量,而且认为理论中出现的物理量是这类潜变量统计平均的结果。事实上,这类潜变量理论包括玻姆的理论都未能解决量子力学诠释问题和量子测量问题,这或许暗示把这些量当作潜变量不是解决问题的出路。可能这正是爱因斯坦从来不谈论潜变量的原因。他在1948年的文章“量子力学和实在”中表示倾向于相信这个观点:“这个(自由)粒子实际上具有确定的位置和确定的动量,即使它们二者不能在同一单体情形中由测量来确定。按照这一观点,psi函数体现实在事态的不完备描述。”并认为:“有朝一日终究要被一种更加完备更加直接的描述所代替。”但是他从未提议过补充粒子的位置、动量和自旋等作为潜变量去完备描述量子实体,那是约翰·贝尔的想当然强加于爱因斯坦的。

    关于潜变量的类型,我们可能忽视了一个大的方面,波作为变量也可以是潜的,这是贝尔没有考虑到的。我们不妨假设,满足爱因斯坦-德布罗意关系式(能量-频率关系,动量-波长关系)的波在量子理论中是“显的”,不满足的是“潜的”,这个假设使做出满足线性方程的不发散波包成为可能。事实上,数学上极其简单,物理上直观明了,在相对论框架内,由无限多个原始简谐波可以等权叠加出极窄的、满足线性方程的、不发散的波包--初级波包(简称初包),这种初包可以描述自由的微观粒子,其中与粒子的动量和能量关联的特征分量就是我们熟知的波函数--德布罗意波函数。因为动量和能量值依赖于惯性参考系,所以在无数分量中哪个是特征分量依赖于参考系的选择。在量子理论中唯独这种特征分量是“显的”,但是这理论中“显的”波又是不可观测的,在观测中可能显露的无非是初包--量子实体。考虑到电子和光子有自旋,已知狄拉克电子有四个关联的特征分量(波函数),光子有六个关联的特征分量(电磁波)。光脉冲或德布罗意波包是那些特征分量叠加成的次级波包,原则上要发散是其特征。显然,这里的潜波是量子实体的组分,而不是参与平均的随机潜变量。玻姆认为:“也许我们现在的量子力学平均是还未直接探测到的潜变量的表现形式”,贝尔认为:“psi描述的量子力学态由对lambda[代表潜变量的参数]的均匀平均得到”,看来他们两人都在一味依赖潜变量统计平均诠释量子力学这点上犯了原则性、方向性错误,以致出现贝尔不等式谬论。贝尔不等式毫无科学意义,洛察克(G. Lochak)指出:“贝尔不等式的实验违反无关于所谓的“非定域性”或“非分离性”,这违反只不过表明量子几率不是经典几率!”阿德尼尔(G. Adenier)指出:“虽然证明贝尔不等式违反的实验愈来愈准确和无漏洞,必须强调,不管如何地准确和接近理想,实验能证明的不外乎量子力学的有效性,而不是那贝尔定理的有效性。”

    初包和无限窄的次级波包在形式上相似,极易混淆。例如,当极弱光照射感光板或光敏列阵时,上面出现的微小斑点常被认为是光子的波函数坍缩到一个特殊投影分量(无限窄次级波包)的“尸体”放大像,然而,如果认为它是作为光子的初包的“尸体”放大像,则初包的峰外片连同它的特征分量无突然收缩发生,这意味着无波函数坍缩发生。可见,波函数坍缩假设起因于对这两种不同类型波包的混淆。因此,测量时不存在波函数坍缩,测量到的就是先前存在的,虽然测量可能引起测量对象的状态改变。我们可以由初包的含峰片(量子实体)与不含峰片(准实体)之间的耦合来解释量子干涉(如双缝干涉)和由一个微粒的含峰片与另一个微粒的不含峰片的融合来解释量子纠缠。

    量子纠缠态定义为:两个或更多子体系的一个量子纯态称为是纠缠的,如果它不是各成分的态之积。这是数学观点和形式定义,从物理上看,量子纠缠的真莫道不消魂相到底如何,是个大问题。先得弄清什么样的关系叫纠缠,即使量子纠缠无日常现象可以类比,那么看是能否找到一些隐喻,以获得一点揭露量子纠缠真莫道不消魂相的启示。所谓纠缠,原来薛定谔用德文称Verschrankung(a上要加两个点),用英文称entanglement。最简单的例子是,双手交叉在胸前叫纠缠,是那德文字的原义。稍微复杂一点,如管道升的词中说的:“把一块泥,捻一个你,塑一个我。将咱们两个一齐打破。用水调和。再捏一个你,再塑一个我。我泥中有你,你泥中有我。”稍贴切一点,有虚实纠缠的情形,如设想:东乡的书记兼任了西乡近乎虚设的乡长,西乡的书记兼任了东乡近乎虚设的乡长,书记一感冒,乡长就咳嗽,这是因为纠缠。微观物体与宏观物体有不同性质,微观物体的纠缠现象不好理解,例如氦原子中的电子“交换能”,它起因于电子的纠缠,不晓得纠缠的真莫道不消魂相,也就理解不了这种能量的来源。何谓量子纠缠,如郭光灿院士担纲撰写的书“爱因斯坦的幽灵—量子纠缠之谜”中所写:“量子力学预半夜凉初透言在相互纠缠的微观粒子(如电子、光子等)之间存在某种非定域关联;如果对其中的一个粒子进行测量,另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响,并发生相应的状态变化,无论它们相距多远。”这个论断连可做隐喻的日常现象都没有,除了巫术或魔术,因此它让人感到不可理喻。我们也不明白波函数做统计解释的量子力学是如何做出这个预半夜凉初透言的,如果不玩弄形式的数学游戏的话。

    在BBO(beta-偏硼酸钡)晶体上通过自发参量下转换产生纠缠光子对是常用的方法,它把一个紫外光子变成一对红外纠缠光子,常被编号为光子1和光子2,这种编号出现在量子纠缠的数学公式中,所以我们称它们为“形式编号”。例如,制备一个纠缠态:F(x1,x2)=H(x1)V(x2)+H(x2)V(x1),H和V表示水平极化和垂直极化,这里省略了归一化系数,这对纠缠光子有四个波函数(初包的特征分量),由简单逻辑分析断定,其中必有两个是准空的,这些准空的波函数是不含峰片(准实体)的特征分量。如果改用小写字母表示准空的波函数,函数F(x1,x2)分出两种情形:F1(x1,x2)=H(x1)V(x2)+h(x2)v(x1)和F2(x1,x2)=h(x1)v(x2)+H(x2)V(x1),从波函数对粒子编号的交换对称性可见,纠缠意味着非空的H(x1)与准空的h(x2)(或H(x2)与h(x1))不可分离地相伴,它们融合成新的体系,我们给予新的编号S1,同样,V(x2)与v(x1)(或V(x1)与v(x2))不可分离地相伴,融合成新的体系,给予编号S2。不同于“形式编号”,新的编号是“定域编号”,因为新编号的两个体系在遥远相隔(类空相隔)时,不再有任何相互影响。爱因斯坦在1946年文章“自述”中表示“坚持认为”:“体系S2的实在状况与我们对那个在空间上同它分开的体系S1所采取的行动无关。”在纠缠光子对中,光子1的非空态与融合的光子2的准空态一起受外界作用,所以很容易误解为改变光子S1的状态甚至会影响遥远的光子S2的状态,原来,光子2的非空态“远在天边”,而它的准空态就“近在眼前”。多粒子纠缠的含义依此类推。简而言之,量子纠缠的实质好比“阴魂缠身”,而非“鬼魅隔空作用”,这个“阴魂”就是初包的不含峰片,一种准实体。量子现象背后捣鬼的正是这种准实体,无准实体无量子力学。准实体这种角色的表演非常出色和轰烈,本身的面貌却十分隐蔽,我们能用思辨和数学去掌握它。现在可以完全放心地说,鬼魅隔空作用,即非定域影响,在自然界子虚乌有,只虚构在某些量子物理学家的头脑里,怪不得此种影响可以瞬间远达天边,无需媒介,也没有东西能阻挡。上面证明,潜变量理论能够再现量子力学的预半夜凉初透言,而且表明量子力学是固有定域的。现在可以考虑这种不可分离的融合特性是检验量子纠缠性质真假的判据。由此判断,用半透半反镜加符合计数测量绝无纠缠光子的功能,用于贝尔态测量也毫无意义,凡包含此种贝尔态测量的实验路线都是错误的,由此只能编造出虚假的成果。

    上面提到的含峰片和不含峰片的特征分量--波函数,在本质上类似法拉第发现的场,所以这里对波函数提供了诠释,也就是对场的本质提供了诠释。不含峰片是现在引进的新概念,是一种陌生的实体--准实体,而法拉第引进的场,当初是非常陌生的概念,现在看来它倒不是一种实体,本质上是组成实体的特征成分,更为抽象。这样看来,对不含峰片的概念的陌生程度并不超过对场的概念,所以不必感到惊讶。

    现在令人担忧,一代量子信息专家在谎言中成长,头等谎言是:“量子力学预半夜凉初透言在相互纠缠的微观粒子(如电子、光子等)之间存在某种非定域关联;如果对其中的一个粒子进行测量,另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响,并发生相应的状态变化,无论它们相距多远。”量子(态)隔空传输的理论来源于此等思想,并有进一步的推论:“量子隐形传态可用于大容量、原则上不可破译(万无一失)的保密通信,也是量子计算的基础”。有人说爱因斯坦发现了纠缠量子的非定域关联(隔空作用)和认识到它的重要性,这是无稽之谈,事实是,爱因斯坦等(EPR)认为,假如量子力学是对实在的完备描述,那么它意味着量子纠缠中存在隔空作用。爱因斯坦坚持分离性原则,认为不可能有隔空作用,因而认为量子力学是对实在的不完备描述,只是对系综的统计描述,只存在纠缠的统计性关联,因此他不会认为隔空作用是[统计性]量子力学的推论。量子纠缠中存在非定域关联是量子力学的推论或预半夜凉初透言,这句话或变相说法,常打着爱因斯坦的旗号出现在量子信息论文的引言中,以讹传讹。另一大谎言是:实验证明隔空鬼魅作用存在。还有其它许多谎言,如玻尔从不认同的波函数坍缩,粒子既在这里又在那里,量子力学的描述是完备的,量子力学是固有非定域的,贝尔定理,量子不可克隆定理,等等。把鬼魅隔空作用谎言和量子隔空传输谎言等写进教科书和科普书,会严重误人子弟和误导公众,污染物理学乃至哲学。

    如上论述,用线性光学办法产生多光子纠缠,一方面是基于对量子纠缠本性的错误理解,另一方面是基于把波函数坍缩当作可利用的物理机制,即基于两大原则性、根本性的错误认识。物理学家本应通过严密的实验去纠正错误,而不该相反,去一味编造实验支持那些似是而非的错误认识。大家都在说:“量子隐形传态可用于大容量、原则上不可破译(万无一失)的保密通信,也是量子计算的基础。”实事一项无成是这种错误认识的结局。据悉,美国防部早就不支持量子隐形传输研发项目,而今,美国“先端情报研究计划活动”机构从国家标准和技术研究所的量子计算组撤回资金,洛斯阿拉莫斯国家实验所也失去对量子加密研究的资助,这不无道理。国际知名激光物理学家沈元壤教授在2006年国内的一次会议上风趣地说:“大家都喜欢做所谓热门课题,我们开玩笑说,如果美国要打败日本等其他国家,一个办法就是想出一个永远也做不成的题目,花一笔钱下去,让其他国家跟着做,然后自己过几年就撤,让别的国家继续花钱下去,这样就会将其他国家都击败了。”

    尽管多光子纠缠的线性光学产生法得到许多专家的认可,此地的结论是,凡是用此法产生的都不是真的纠缠,一切演示皆属量子魔术,不断“刷新世界记录”和“国际领先”,恐怕在闹天大的笑话。无论波函数坍缩假设,还是量子纠缠的隔空联动解释,都是违反因果律和相对论原理的,是出于对量子力学的原则性、根本性误解。科学服从因果律,量子力学也不例外。格林伯格说:“量子力学是魔术”,绝对不是,把魔术玩到NATURE和PRL等顶级杂志上倒是当代奇迹,像是国际团伙性走火入魔,不是故意行骗。对负面评论,有人帮助反驳说:发表X的PRL,NATURE的编委全瞎眼了,反倒不如XXXX学院的一个小小的XXX?有些人说得更尖刻:无聊,变半夜凉初透态,妒忌,妖言惑众,唐吉诃德自叹不如,有本事把文章发到NATURE上去。国内正规平面媒体报道该类惊人消息争先恐后,竟不敢报道批评意见,大概怕惹出麻烦。不管学术评论环境的好坏,现在把量子(态)隔空传输、永远解不开的密码、多光子纠缠称为弥天大谎、假大空话、量子魔术,是道出真莫道不消魂相,还是妖言惑众,期待学术界关注和冲破一切障碍开展辩论,这场辩论关系到科学甚至哲学发展的方向,以及关系到人才培养和纳税人的血汗。

    本文的中心议题表面上是多光子纠缠,实质上是量子力学基础。在斯坦福哲学百科全书中,有一个条目“玻姆力学”,其中写道“凡参与同行争论量子力学基础者,不管其见解如何,很可能同意托尔斯泰的这个说法:有些人把个人的结论,津津乐道向同僚讲解,趾高气扬对他人教导,利用根根花线编织人生锦缎,哪怕有最简单最明显的真理要迫使他们承认那些结论为伪,我知道多数人,包括能够轻易对付最最复杂问题的,皆难得接受那个真理。”此托氏语录译自乔瑟夫·福德的文章 “Chaotic dynamics and fractals”(混沌动力学和分形),现以此与同仁共勉。

背景资料:
"弥天大谎:实现量子隐形传输"
"假大空话:永远解不开的密码"
"论爱因斯坦-玻尔争论之症结"
"对量子态叠加原理的理解"
"对海森伯不确定关系式的理解"
"谁说玻姆力学是非定域的"
"波函数坍缩假设的谬误与祸害"
"贝尔不等式的谬误与祸害"
"隔空传物理论的谬误与祸害"
"量子不可克隆定理的谬误与祸害"
"爱因斯坦调和微粒说和波动说百周年纪念"
"Heuristic explanation of quantum interference experiments"
(http://arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0501/0501148v1.pdf)
"Locality of quantum entanglement"
(http://arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0512/0512195v1.pdf)
"Finding way to bridge the gap between quantum and classical mechanics"
(http://arxiv.org/PS_cache/physics/pdf/0512/0512100v1.pdf)

(王国文,北京大学物理学院,2010年7月25日)

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Jul 06 2010

王国文://假大空话:永远解不开的密码

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王国文://假大空话:永远解不开的密码


        最近看到科技日报记者高博的文章“量子通信:永远解不开的密码”,作者企图纠正一些媒体报道中把量子通信的性质理解为“超远距离瞬移”的“错误”。其实那些媒体报道并没有错,潘建伟组的论文题目中明明写的是“量子隔空传输(quantum teleportation)”,即量子的超远距离瞬移,按潘的导师泽林格的说法,转移过去的就是原物(originals),虽然是通过转移的信息重建出来的。下面我们将论述,不仅隔空传物不可能,而且隔空传态也无可能性,永远解不开的密码也是一句空话。

        高博的文章中写道:“量子纠缠:永远同步的双胞胎——《格林童话》里提到:一对双胞胎兄弟心灵隔空相通,即便是分道扬镳天各一方,弟弟遇难,哥哥即刻得知。在微观世界里,也有“心灵感应”的可能。这就是曾被爱因斯坦称作“幽灵般的超距离作用”的“量子纠缠”。根据量子力学,有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系,不管它们被分开多远,只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子,即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远,都能“感知”对方的状态[变化]。量子纠缠现象,使得光子、电子甚至是原子之间能相互影响,相互制约,从而传递信息。理论上讲,这种纠缠可以使两点之间,不论距离的即时通信顺利完成。这种“超距离通信”不仅让人们感到新奇,而且给了科学家利用它来传递密钥的机会。”“只要制造一对纠缠的粒子A和B,分别给信息的传送人和接收人,这对粒子就好像古代战争用的虎符一样,总是严格吻合的。A粒子的状态,在传送人的测量下,表现为一系列随机值;由于A和B纠缠互感,所以十万八千里外的B粒子,也表现出了一系列的对应值。也就是说,发信人和收信人掌握了同一套随机数列——这就是密钥。”这两段高博写得很好,把量子密码永远解不开的“理论根据”清楚地讲了出来。但是,假如这个理论根据不成立,则永远解不开的密码只是一句空话了,搞这种加密大工程就如无源之水,无本之木。郭光灿院士说“BB84量子密钥方案在理论和实验上都被证明是绝对安全的技术”,2009年他的团队在安徽芜湖建成量子政务网。同年,潘建伟小组在合肥建成光量子电话网,称绝对安全的量子通信由实验室走进了日常生活。据悉,鉴于同样理由,山东省将投资1.22亿元建设山东量子通信试验网工程。

        虎符上有供拼接的铭文--特定的印记,对比量子纠缠,薛定谔在1935年发表的论文“量子力学的目前状况”中写道:“任何发生的“预半夜凉初透言的纠缠”显然只能归于这个事实,即这两个物体在较早的某个时候形成真实意义上的一个体系,而且二者已经留下各方的印记。”这与高博的前一句话的意思相同。而他后一句话说的意思是,如果一个传送人在一半虎符上随机标上字符,如R、A、N、D、O或M、...,则在“十万八千里外”的另一半上就会出现对应的字符R、A、N、D、O或M、...。这是很神秘的,归因于“隔空鬼魅作用”。而薛定谔不认为有这种可能性,说:“在分离体系上的测量不会直接彼此发生影响--那种影响是巫术。”爱因斯坦称之为远距鬼魅作用、传心术式的影响。他在文章“自述”中表示“坚定不移地认为”:“体系S_2的实在状况与我们对那个在空间上同它分离的体系S_1所采取的行动无关。”这被称为分离性原则。除非被某些荒谬理论彻底洗了脑或十足被一些巫术性实验演示所迷惑,我们的智商还不至于低到连如此简单的真理--分离性原则--都不信,爱因斯坦说,分离就是无相互作用的同义语。玻尔也从不支持所谓的非定域性。

        建立所谓永远解不开的密码是依据“隔空鬼魅作用”,即所谓量子纠缠的非定域性。非定域性观点已成时尚,多数量子物理专家都在谈论非定域性,他们称贝尔不等式理论和阿斯派克特等的实验已经证明了这种非定域性。殊不知这是以讹传讹,事情是这样的,约翰·贝尔假设量子力学有诸如微粒的坐标、动量、自旋等作为潜变量,并假设它们是实在的和定域的,然后推导出了一个不等式。后来他人把这类不等式用在光子上,对一种特定的实验安排,由不等式预半夜凉初透言的结果为小于等于2。另一方面,对同样的安排,量子力学预半夜凉初透言结果为严格等于2乘根号2(=2.828)。阿斯派克特等的实验结果为2.697,测量误差0.015,与量子力学的预半夜凉初透言相符,而比贝尔型不等式的预半夜凉初透言结果显著大得多。于是他们做出结论:爱因斯坦的定域实在论思想是错误的,隔空鬼魅作用必定存在。至此,我们可以有一个简单的想法,既然实验结果符合量子力学,而又有充分理由相信量子力学本身是正确的,那么可以断定贝尔的理论是错误的。但是,事情并非那么简单,因为贝尔的理论似乎很合理,很难说这个理论是节外生枝,倒可能是一个最深刻的发现--世上真有隔空鬼魅作用存在,是大有用处的物理资源,可期待一次新的技术革莫道不消魂命。但是,我们仔细地看,在贝尔不等式的推导中,有一个默认的假设:量子力学的观察量是潜变量的统计平均值。玻姆和许多其他人也是这么看的,似乎无可怀疑。然而,现在如果考虑到波也可以有潜的,而观察量并非潜波变量的统计平均值,而且如果在潜波变量基础上建立的微粒模型能解释一切量子现象(见博文“论爱因斯坦-玻尔争论之症结”),那么说明贝尔理论是节外生枝,隔空鬼魅作用根本不存在,量子隐形传输和永远解不开的密码都纯属子虚乌有。

        多年来对贝尔不等式和非定域性的质疑和反对声不绝于耳,这里列出一些以正视听:
(1)穆尔敏(N. D. Mermin):“鲁道夫·佩尔斯爵士不相信贝尔定理证实了非定域性。”“对我来说,非定域性似乎为消除某些深深的困惑“太便宜地”提供了一条出路。”
(2)洛察克(G. Lochak):“依我之见,贝尔不等式的实验违反无关于所谓的“非定域性”或“非分离性”。这违反只不过表明量子几率不是经典几率!”
(3)德拜锐(W. De Baere)等:“首先,必须认为量子[力学]数学体系本身是完全定域的,意即在一个地方的测量结果统计不依赖于远处另外的同时作用。并且,在所有现时有趣的量子场论中,对类空间隔(x-y的平方),观察量的对易子 [A(x),B(y)]等于零,这保证定域性。”
(4)佩雷斯(A. Peres)等:“贝尔定理并不意味着量子力学本身存在任何非定域性。特别是,相对论量子场论明显是定域的。简单而显然的事实是,信息必须被量子化或不量化的物质携带。因此量子测量不允许任何信息传送快于实验中发射的粒子格林函数中出现的特征速度。”
(5)阿德尼尔(G. Adenier):“虽然证明贝尔不等式违反的实验愈来愈准确和无漏洞,必须强调,不管如何地准确和接近理想,它们能证明的不外乎量子力学的有效性,而不是那[贝尔]定理的有效性。”
(6)贝尼(G. Bene):“然而,我们坚持认为这样的结论[分离体系能够互相影响]在物理上不能被接受。定域性原理(或爱因斯坦分离性)在所有物理学分支中,甚至在量子物理中,包括最深奥的量子场论,我们已经用得很好。颇难相信它只在测量情形中失效。毕竟,测量只是两个物理体系间的作用,其一是原子组成的宏观测量器件,对它的结构和作用我们从量子力学有相当好的理解。无留给神秘非定域影响的余地。”
(7)阿卡笛(L. Accardi)等:“我们证明定域条件与贝尔不等式不相关。我们检查认为贝尔不等式的实际起源是经典(柯尔莫戈洛夫)几率理论可应用于量子力学的假设。”
( 8) 散托斯(E. Santos):“实际上至今被实验上违反的所有不等式都不是单独从实在论和定域性条件推导出的真正贝尔不等式,而是要求辅助假设推导出的不等式。颇为显然,这种不等式的违反不能驳倒整个定域潜变量理论家族,而只是有限的家族,即满足辅助条件的那一些。”“依我之见,错误信仰[定域潜变量理论已在实验上被驳倒]影响的扩大是二十世纪物理史上最大的忽悠(delusions)之一。”

        值得注意的是,阿斯派克特在2007年《Nature》上发表的文章“Quantum mechanics: To be or not to be local”中承认,否定定域实在论不是他们的实验的逻辑结论,不过他还是“倾向”认为量子力学是非定域的。好一个“倾向”!理不直,气还壮。

        郭光灿院士在担纲写的“爱因斯坦的幽灵—量子纠缠之谜”中写道:“如果对其中的一个粒子进行测量,另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响,并发生相应的状态变化,无论它们相距多远。”请问,假设BBO发出一对纠缠光束,一束水平偏振光发向八达岭的探测器,另一束垂直偏振光发向怀来的探测器。现在,如果在八达岭的探测器前面放一个偏振器,并用32赫的马达带动,使这束光的“状态”发生连续变化,现在问,在怀来的探测器上能否或多或少“感应出”32赫的光波信号变化?这个实验很容易做,但必须独立进行观测,禁用连接两端信号的符合计数器。据考查,物理工作者从未真正发现过隔空传递信息的确实迹象,即未见有经得起多方独立验证的事实,那种虚幻的事被称为伏都或巫毒(voodoo,通灵术)。恐怕郭院士担纲写的书会严重误导公众和误人子弟,有悖于芦笛曲丛书的出版宗旨。

        量子纠缠是否能提供永远解不开的密码问题与对量子纠缠真莫道不消魂相的认识有关。我们要问,东乡的书记一感冒,西乡的乡长就打喷嚏,西乡的书记一感冒,东乡的乡长也打喷嚏,这种纠缠有谁能讲得清楚。中国青年报的一篇报道(2010年6月23日)中写道:“这确实是一个难以令人理解的研究领域,面对抱着巨大好奇心的公众,研究者不禁感到苦恼,“想要给大家都讲明白实在是一件痛苦的事”。”要诡辩肯定是痛苦的,其实答案极其简单,那就是,东乡的书记张三兼任了西乡的乡长,西乡的书记李四兼任了东乡的乡长。有人好比深信张三一感冒远方的李四就打喷嚏“确有其事”,并想把它向公众“讲清楚”道理,能讲得清楚吗。在量子世界里,两个纠缠粒子占据四个态,要纠缠只有像兼职那样集于一身的“兼态”方式,在逻辑上排除任何其它可能性,小学生都知道4=2乘2。

        现在请受尊敬的张三李四当回演员,并受点委屈。比如,随意打东乡的书记三个耳光、接着打一个、又打两个、...,西乡的乡长就会瞬间依次感到痛三下、一下、两下、...。有人以为,这打和痛是“隔空感应”,其实挨打和受痛的是张三,与李四不搭界,即作用是绝对“定域的”。对量子纠缠和加密,较为贴切的隐喻是,有许许多多结对的东乡西乡,约有一半是东乡的书记兼任了西乡的虚设乡长,西乡的书记兼任了东乡的虚设乡长,另一半为,东乡的乡长兼任了西乡的虚设书记,西乡的乡长兼任了东乡的虚设书记。现在假如,随意打第一对中的东乡书记一个三度重的耳光,接着打第二对中的东乡书记一个一度重的耳光、又打第三对中的东乡书记一个二度重的耳光,...,有些人以为,“远离的”另一乡的乡长感到相应程度的疼痛。这相当于,在一路纠缠光子上,给相继的光子依次无规分别标上R、A、N、..., 这时他们以为在另一路光子上就会出现同样序列的信号。他们于是“悟到”这种效应可用于建立永远解不开的密码。因为存在虚乡长、实书记或实乡长、虚书记的区别,显然他们犯了混淆了虚实,颠倒了远近的错误。

        牛顿力学是低速宏观物体的运动物理学,而量子力学是量子状态的物理学,不是完备描述量子实体的物理学(见博文“论爱因斯坦-玻尔争论之症结”)。不像实体的物理学,在状态的物理中可能会发生粒子的编号问题,显露出一些奇怪的事情,这正好为探究量子真莫道不消魂相提供线索。狄拉克最早发现原子中电子的纠缠关系,虽然那时尚无量子纠缠这个概念;他在1926年发表的文章“关于量子力学的理论”中写出了二电子的纠缠公式:psi_{mn}=a_{mn}psi_m(1)psi_{n}(2)+b_{mn}psi_{m}(2)psi_{n}(1),这里的符号_{.}表示下角码。在原子中电子的纠缠是普遍现象,氦原子中1s电子与2s电子的纠缠是一个典型例子。其中1s电子和2s电子的两个纠缠态(坐标态)各是两个积态的交换性叠加(一个交换对称和一个交换反对称)。量子测量告诉我们,叠加态的成分中至多一个是非空的,因此上述式子告诉我们,电子1(或2)的非空态与电子2(或1)的(准)空态发生融合,这时电子的编号应该变化,比如说变为a和b,这相当于玻尔所说的态的定义发生变化。这应该是量子纠缠的真莫道不消魂相,根本不存在非定域性。在纠缠之后,如果仍用纠缠前的粒子编号1与2(量子力学中只允许这样做),则在理论上就出现所谓库伦“交换能”,氦的1s态和2s态的交换能为0.39电子伏。以上就是对神秘的交换能来源的平易解释,也是对EPR佯谬的解释。如果对量子纠缠的以上理解成立,那么可知,所谓永远解不开的密码方案和量子隐形传输理论,都是混淆虚实、颠倒远近的产物,它们的实验演示像巫术,其关键道具是符合计数器和调节符合的延时器,玄机尽在其中。从以上的分析,我们得出的结论是,“量子加密能保证万无一失”是一句假大空话。有人说量子加密绝对安全已被实验证明,更是无稽之谈。

        尽管阿斯派克特在2007年已承认,否定定域实在论不是他们的实验的逻辑结论,但现时仍然到处在以讹传讹,说他们的实验已证明隔空鬼魅作用存在,是开发量子信息技术的物理资源。如果有人出来表示怀疑或反对,最常听到的训斥是:“回去好好学学量子力学吧”,可见流毒之深与广。还有一种训斥很有意思:“有本事把你的文章发表到《自然》上去。”竟有人说:“发表X的PRL,NATURE,PHYSICS 的编委全瞎眼了,反倒不如XXXX学院的一个小小的XXX?”这类人视顶级杂志为真理的化身,典型的奴才相,正好给出钱学森之问的一个答案。谁之过?让我们这些教师自己感到汗颜。通常,正规媒体不敢登载或转载反潮流的文章,即使纯属学术性的,甚至在某些论坛上发帖也会莫明其妙被拦截或删除,现下科学工作者发表自由评论的环境好像不怎么好,学术中假冒伪劣的事情难以被揭露和纠正。人为孤立反对者不利于科学的发展,这种情况不该发生在中华大地上,特别是在提倡创新的时代。殊不知,自从出现荒谬的贝尔不等式开始,一代量子信息专家在一系列谎言指引下成长,这批后起之秀的某些“非凡成就”,竟把许多老专家都搞糊涂了,有的表示支持、或把它们编进教材、或失语、或选择沉默,好在大批有识之士(包括多数院士)还持较为谨慎和负责的态度。可惜的是,有一大批量子信息专家已经花掉国库亿计的钱财,实事一项无成。在这方面,他们现时还在争取大笔经费,或按政策不用申请就能分配到千万计的资助。近日得悉,美国在新一轮科技计划中,已停止对光学量子信息处理研发的经费支持(有待核实),看来这不无道理。谁也不会反对量子信息科技的正常研发,只是希望他们能早日迷途知返,坚决拒绝为巫术与科学的联姻效力。发展科学的希望总是寄托于年轻一代,诺贝尔奖得主拉比在玻尔诞辰百周年纪念大会上讲:“我觉得,我们还未得要领,下一代人,他们一旦找到那个要领,就会拍拍脑袋说,他们过去怎么会想不到的呢?”

        总而言之,量子纠缠的隔空联动解释是对量子力学的原则性、根本性误解,是对这理论的肆意妖魔化。这种巫术性、传心术性的解释已把量子信息科技引向岐途,包括永远解不开的密码,量子隐形传输,多光子纠缠等。这样的解释实为二十世纪物理学家最愚蠢之举和最大的忽悠。真亏有一批专家能精心编造一个又一个实验演示爱因斯坦嘲笑的隔空鬼魅作用,他们的所作所为理所当然要遭到公众的谴责,如:把科幻电影的剧情发到学术刊物上了;这也敢拿出来,你真以为人都傻了吗?安徒生童话亦不过如此;假的,不可能;不是怀疑,压根就不信;伪科学;刘谦的魔术;张宏宝第二;见鬼了吧;愚人节;又开始出新的气功大师了;科学家都快成巫师了;国家应该立案严查,绝不能让这些骗子得逞;等等。纳税人对虚假的科研成果是不会买账的。

        信息的传输需要使者,包括媒介,无隔空传输信息的可能性,反之,有量子力学专家说:“量子隐形传态可用于大容量、原则上不可破译(万无一失)的保密通信,也是量子计算的基础。”这里,不是质疑什么的,而是断言,量子力学并不意味着量子隐形传态的可能性,因此原则上不可破译的保密通信无基础可言。并且不得不说,无论芜湖的量子政务网,还是合肥的光量子电话网,或其它计划建设的量子通信试验网,能通信是真,有永远解不开的密码是假,希望不要再以此假大空话为理由搞越来越大的工程,那将是一个投钱的无底洞,一个大笑话。还是先老老实实从基础做起为好。

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(王国文,北京大学物理学院,2010年7月5日)

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Jun 18 2010

王国文://弥天大谎:科学家实现量子隐形传输和隔空传物

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王国文://弥天大谎:科学家实现量子隐形传输和隔空传物

      国家科技部973项目“量子通信和量子信息技术”首席科学家郭光灿院士在担纲写的“爱因斯坦的幽灵—量子纠缠”中写道:“如果对其中的一个粒子进行测量,另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响,并发生相应的状态变化,无论它们相距多远。”,还写道:“1997年,奥地利因斯布鲁克大学由塞林格领佳节又重阳导的一个实验小组首次实现了光子的量子隐形传态,即将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子。目前,物理学家们在实验室中已实现了光子之间(距离超过600米)、光与原子之间、以及原子与原子(距离约1米)之间的量子隐形传态。可以预计,实现更大尺度的原子和分子的量子隐形传态也已为时不远。”奥地利泽林格教授估计“也许一千年后真的能够远距离转移一只咖啡杯。”中科大潘建伟教授说:“也许在某个世纪,真的能够传输人类本身,就像《星际旅行》中的科学幻想。”最乐观的是,美国《福布斯》杂志对20年后新职业预测中有隔空传物专家一项,写道:“想象走到街区尽头的隔空传物站,拆毁身体,接着就在上班处出现。汽车不会有了,汽车修理工不需要了,加油站服务员不需要了,基于隔空传物器的全新经济可能发展起来。”


      最近,潘建伟团队在《自然》上发表论文“实验的自由空间量子隐形传输”,中科大新闻网转载的标题为:“[新华网]我国科学家首次实现远距离自由空间量子态隐形传输,为全球化量子通信奠定基础。”另有许多衍生的新闻标题,像“科学家实现隔空传物”。消息一出,反映强烈和纷纭,正面的有:“祝贺你们,中国人的骄傲”,“中国科学技术大学是中国科研能力最强的大学”,“向合肥微尺度国家实验室致敬”,“谨向潘建伟教授、郭光灿院院士等致以最崇高的敬礼!”,“终于走在前面了”,等等;反面的有:“这也敢拿出来,你真以为人都傻了吗?”,“假的,不可能”,“伪科学”,“忽悠,接着忽悠”,“刘谦的魔术”,“是不是又吹牛啊”,“中国又开始出新的气功大师了”,“我宁可相信河南有虎,这个决不信”,“见鬼了吧”,“愚人节吗?”,等等。潘建伟团队的实验主要目的有两个:(1)证明隔空鬼魅作用确实存在,说明爱因斯坦错了;(2)证明隔空传物原则上是可能的,说明自然界就是那么神奇。


      这里不是讲量子力学及其含义的地方,只能杜撰一些故事,下面的前三则是隐喻量子纠缠的真莫道不消魂相,说明隔空鬼魅作用不存在,后二则是隐喻量子隐形传输的过程,揭示这种传输的虚伪性。


      我们要问,东乡的书记一感冒,西乡的乡长就打喷嚏,西乡的书记一感冒,东乡的乡长也打喷嚏,这种情况有谁能讲得清楚。其实答案极其简单,那就是,东乡的书记张三兼任了西乡的乡长,西乡的书记李四兼任了东乡的乡长,这就是纠缠。在量子世界里,两个纠缠粒子占据四个态,要纠缠只有像兼职那样集于一身的“兼态”方式,在逻辑上排除任何其它可能性,这应该是这个纠缠之谜的唯一答案,小学生都知道4=2乘2。再则,拿宰的猪来比方,把猪的左右腿交叉,当中斩开,左蹄右肘装一包,叫包a,右蹄左肘装一包叫包b。包a北京自家煮着吃,包b快递给上海的老弟。如果混淆猪脚的左右编号和包的a,b编号,就会认为左脚下锅煮,右脚就瞬时“感应”到远方煮的影响也熟了,似乎发生了隔空感应影响。再一个极好的隐喻是,元朝管道升给夫君赵孟頫写的“我侬词”:“你侬我侬,忒煞多情。情多处,热似火。把一块泥,捻一个你,塑一个我。将咱们两个一齐打破。用水调和。再捏一个你,再塑一个我。我泥中有你,你泥中有我。与你生同一个衾,死同一个椁。”显然,在这种纠缠方式中决不存在隔空鬼魅作用。


      关于量子隐形传输,与其理论相对应,我们编一个汇冥币的故事。查理(Charlie)要汇一张1000元的冥币给客户,去冥行艾丽丝(Alice)分理处办理,不必让艾丽丝看到这张冥币,把它投进四个焚化炉的总入口即可。在哪只炉子中焚化由不得你,是随机的,但会指示结果,比如指示在2号炉中焚化了。随着焚化,在十万八千里外与艾丽丝纠缠就绪的鲍勃(Bob)分理处就会立即通过隔空感应接收到数字各为:0100,1000,0010,0001元的冥币,它们在交替闪烁着,不知道那张是传输对的,要等艾丽丝来电话告诉焚化的炉号确认之。告诉是2号,那就肯定是1000元了。如果在其它炉中焚毁,鲍勃则要根据告知的炉号做一相应的“线性变换”,然后输出一张一模一样的1000元的冥币交给客户,传输的保真度为100%。再来编一个故事,北京要派孙悟空立刻去深圳任动物园园长,巧遇特大台风和洪水,一切交通中断。幸好两地都有隔空传物专家以及有双胞胎猴子(其它纠缠物体也行)可以帮助解决问题,这对猴子,一只在北京,另一只在深圳,都持有同胞的全息像,好比是互相纠缠的。现在北京的隔空传物专家按程序首先要做的是,把老孙-猴子联合体按特定方式拆分,用数学语言,即把描述老孙的态矢量与这对猴子的纠缠态张量的“张量乘积”投影到描述四只八卦炉的各个态张量上。四只炉子是四对双胞胎猴子的化身,代表老孙与猴子的四种不同基本纠缠方式,专干对老孙进行脱胎换骨的勾当。贝内特等人的隔空传物(teleportation)理论表明,在2号炉上的投影正好是同胞的全息像,而在1号上的变了,右侧各器官都扭转了180度,在4号上左右反了,而在3号上的,不仅左右反了,右侧各器官还都扭转了180度。这时深圳的猴子当园长要等老孙在北京被销毁,因为拷贝是“被禁止”的。按理论,他进哪一只炉子是随机的,几率各占四分之一。这回老孙随机闯进的是2号炉,专家笃信他包含的全部信息刚好原样转移到深圳那只猴子身上。一当用手机告知是2号,深圳猴子就被“核实”是地道的孙悟空了。如果不是2号,也很简单,只要按告知的炉号,用相应的“线性变换”做一下修复就行。听起来像煞有介事,然而悟空窃喜,专家们混淆虚实,颠倒远近,把俺老孙的信息就地替换深圳猴子全息像中的信息,当作信息在量子信道上的隔空传送了,所谓量子隐形传输和隔空传物是巫术。


      潘建伟团队传输的是光子的偏振信号,据报道,这次平均保真度达到89%,足以肯定量子隐形传输成功。而且还是远隔16公里的,这样长的自由空间传输尚属首次,是新的突破。也许,他们最好用话筒和喇叭通过信号编码去做隐形传输实验,看是否能传送简单的一条信息“您好”,从喇叭里播放出来,让大家听听。可在一张桌子上做,不必去八达岭和怀来,做成了,无疑能获诺贝尔奖。恐怕的是,一做就穿帮!传送1234或abcd字符也行,当场打印出来给人看,有谁还会不信呢。其实,实验证明它的不可能性也是成就,如果真无可能性的话。十余年来,量子隐形传输的演示,总是离不开“符合计数器”,看来永远也离不开,永远只能通过符合计数器搞出一些曲线来写写文章而已,怎么能为“为全球化量子通信奠定基础”呢?


      量子隐形传输是依据“隔空鬼魅作用”,如果大家都相信量子隐形传输和隔空传物已经实现,我们的中华文明要倒退两千年了,子曰:“务民之义,敬鬼神而远之,可谓知也。”科学家实现量子隐形传输和隔空传物,不是弥天大谎,还能是什么?有人斥责新闻记者做的报道在渲染量子隐形传输的巫术性,记得,爱因斯坦称之为传心术式的影响,薛定谔也说过:“在分离体系上的测量不会直接彼此发生影响--那种影响是巫术。”量子隐形传输理论的第一作者贝内特对《科学》记者也说,隐形传输像伏都(通灵术)。有兴趣的网友,请看为纪念爱因斯坦奇迹年写的一篇文章“量子纠缠的定域性”(http://arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0512/0512195v1.pdf),那里详细论述了量子纠缠是定域的(隔空鬼魅作用不存在)和量子隐形传输的不可能性。


             (王国文,北京大学物理学院,2010年6月15日)

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Jun 18 2010

王国文:量子信息科技走向何方

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王国文:量子信息科技走向何方

      科学解释因果关系,而魔巫术反之,魔术师表演因果反常娱乐观众,巫术师祈求神灵消灾除邪。意味深长的是,所有科学分支都服从因果律,似乎量子力学例外。海森伯说:“因果律不再适用于量子理论。”格林伯格说:“量子力学是魔术。”量子隐形传态理论的主创者贝内特把这种借神秘作用的传送比作伏都(巫术)。那种神秘作用早被爱因斯坦嘲笑为鬼魅远距作用、传心术式的影响。从量子力学问世,在其数学形式和量子实体关系的探索中遭遇谜团,即量子力学诠释问题,以及在其数学形式和测量结果关系的探索中又遇谜团,即量子测量问题。量子力学的不同诠释对测量问题提出不同的解答。哥本哈根诠释否定实体独立于观察存在和否定其行为遵从因果律,这些否定导致引入波函数坍缩假设来解释实验测量产生有定值的结果。不幸,这个假设引起一系列的问题:波函数何时、何地、如何坍缩?坍缩是不是物理过程?坍缩是否由观察者的知觉引起?坍缩是否真的发生?

      1927年9月,在意大利科摩国际物理会议上,关于电子的波包坍缩,海森伯说:“这个波包不仅空间中沿直线运动,而且随时间发散。对一个新的观察,这波包给出在被测位置找到这电子的几率。然而这个新观察本身使那波包减小到原来的大小Δq,它在全部可能性中做了一个选择,因此减小了未来的可能性。”1929年春,他在芝加哥大学授课中更详细讲到:“我们想象一个光子,它由麦克司韦波组成的波包表示。因此它有一定的空间扩展,还有一定的频率范围。经半透镜反射,可以把它分成两部分,反射波包和透射波包。因而有一定的几率发现这个光子在被分割波包的某个部分或另一个部分中。在过了足够长时间之后,这两部分会离开任何想望之距离;现在如果实验获得这光子位于波包的反射部分的结果,那么在波包的另一部分找到这光子的几率立刻变为零。因此在反射波包位置的实验会对透射波包占据的远距离的点施加一种作用(波包坍缩),我们看到这作用以大于光速传播。”冯依诺曼在他1932年的书中认为,对体系某个力学量的测量将引起体系的态矢跳向该量本征矢组上一个投影部分,发生的变化是不连续的,非因果的,瞬间的,而且这种变化在热力学上是不可逆的。按照他的理论,例如,在x轴上测量一个粒子的位置,如果在某个位置x'发现这个粒子,则认为该粒子的波函数瞬间坍缩成一个无限窄的波包delta(x-x')。冯诺依曼认为被观察体系和观察体系的边界是任意的,观测链的末端是观察者的知觉。1939年伦敦和包尔提出,人的知觉完成量子测量。他们写道:“仅当观察到[仪表]指针的位置时,测量才完成。”又说:“我们注意到在从混合态到纯态情形的过渡中观察者的知觉起基本的作用。没有他的实际介入我们得不到一个新的psi函数。”1960年海森伯明确表示:“另一方面,导致态坍缩的记录作用不是物理过程,宁可说是数学过程。随着我们的知识的突然改变,我们知识的数学表示当然也经历突然的改变。”维格纳认为波函数坍缩是观察者的知觉引起,但在逾70高龄时改变想法,认为它是知觉产生之前的客观物理事件。2000年在法兰克福的一个讲座期间,纳克曼孙问泽林格:“包含发生坍缩的波函数的位形空间在哪里”,回答是:“在我脑袋里。”值得一提的是,一本名家所著的教材中写道:“坍缩中,表现出的是粒子状态的突变,其实质上是体系演化时空的坍缩!”总之,提倡波函数坍缩观念的大师和老师们也未能一致地清楚告诉我们它是个什么过程。不虔诚接受或不接受这个观念的,他们关注或欢迎不含波函数坍缩的量子力学诠释,在现有的诸多诠释中,玻姆诠释,多世界诠释,一致性历史诠释和系综诠释是不含波函数坍缩的,不过这些诠释中疑问也不少,至今无一被公认。

      然而,如果我们能建立起量子实体的客观存在形象,它能逻辑地综合波粒二象性和解释量子现象,那么就不必要用波函数坍缩来解释测量有定值的结果。事实上,我们可以建立一个描述粒子的不发散波包模型:考虑一个微观粒子近似用一个由无限多个简谐波组成的德尔塔(delta)函数来描述,如果假设除一个组分(特征分量)外其余组分都是与普朗克常数无关的潜波,只有特征分量的频率和波矢通过普朗克常数与粒子的能量和动量相关,则这个分量正好就是我们熟悉的波函数。显然,这样的波包是线性的、永不发散的,可以描写一个自由粒子。这种由潜波组成的波包,称谓“初级波包”,它完全不同于由德布罗意波或电磁波组成的“次级波包”,次级波包原则上具有发散性。用初级波包模型可以合理地解释量子现象,现在考虑前面海森伯讲的例子,为方便说明问题,设想半透镜是格子型的,金属格架上完全反射光,空隙处透光,做成透反几率各占50%。如果一个初级波包的峰在格架上反射,则峰外部分的一半在整个格架上反射,另一半透射。或者,初级波包的峰透过一个空隙,则峰外部分的一半透过全部空隙,另一半在整个格架上反射。初级波包的含峰片和不含峰片相遇时会发生干涉,如在马赫-曾德干涉仪中看到的。与海森伯所设想的情况不同,在这里,在测量发现那个粒子时不存在波函数坍缩,也不存在惠勒的前果后因的延迟选择效应。海森伯想象一个光子“由麦克司韦波组成的波包表示”是混淆了光子实体和电磁波包。

      初级波包和无限窄的次级波包(位置算符的本征函数)的性质根本不同,前者的峰位置和动量是确定的,后者的峰位置和动量满足海森伯不确定关系,但因都是德尔塔函数形式,二者极易混淆。例如,当极弱光照射感光板后,上面出现的感光斑点似乎是麦克司韦波坍缩到位置算符本征函数“尸体”留下的放大像,其实它是那初级波包(光子实体)“尸体”留下的放大像,波函数坍缩从未发生,因那个波只不过是初级波包的特征分量。因此粒子不是测量强迫一个波函数坍缩创造出来的,而是测量前已存在,测量后被发现。可见,波函数坍缩假设起因于无限窄的次级波包和粒子实体的混淆,即起因于这种次级波包和初级波包的混淆,因此坍缩过程实际不存在,是臆造,是测量时的多余假设。

      现在我们来探讨量子纠缠的真莫道不消魂相和是否存在波函数的关联坍缩。在BBO(beta-偏硼酸钡)晶体上通过自发参量下转换产生纠缠光子对是最常用方法,它把一个紫外光子变成一对红外纠缠光子,常被编号为光子1和光子2,这种编号出现在量子纠缠的数学公式中。对该数学公式反映的物理本质至今没有一致的理解,爱因斯坦等认为量子纠缠的数学公式反映量子力学对客观的物理实在描述不完备,而玻姆和贝尔等认为它反映这对粒子间存在一种非定域的作用,即爱因斯坦所说的鬼魅远距作用、传心术式的影响。现在我们杜撰一个隐喻来帮助认识量子纠缠。记得元代两口子,赵孟頫和管道升,设想把他们的灵魂各割出一半,互相交换,并改名为“管赵孟頫”和“赵管道升”,他们不就互相纠缠起来了吗。有管道升的词为证:“你侬我侬,忒煞多情。情多处,热似火。把一块泥,捻一个你,塑一个我。将咱们两个一齐打破。用水调和。再捏一个你,再塑一个我。我泥中有你,你泥中有我。与你生同一个衾,死同一个椁。”管先病死,赵伴管的魂跟着病死,但赵未受鬼魅远距作用,而是管伴赵的阴魂不散,这是量子纠缠的极好写照。上面所讲的线性光学器件半透镜只起初级波包的分割作用,而在非线性光学晶体BBO上它们不仅各被分割,还有那一半的交换。早在1935年爱因斯坦等(EPR)就注意到,例如对编号1和2的一对动量纠缠粒子,按量子力学,改变一个粒子的状态似乎会影响另一个粒子的状态,不管它们相距多么遥远。但他们不相信会有这种违反相对论因果性的影响,断言量子力学对客观物理实在的描述是不完备的。如果对赵孟頫和管道升编号1和2,对新改的名“管赵孟頫”和“赵管道升”编号S1和S2,这联想到爱因斯坦在1946年文章“自述”中表示“坚持认为”:“体系S2的实在状况与我们对那个空间上同它分开的体系S1所采取的行动无关。”按粒子的初级波包模型,对S1的测量是发现了它的实在状态,波函数并未坍缩,而且根据这对粒子与生俱来的关系,这时可以推测S2的实在状态,但它的波函数并未发生关联坍缩。以上是对爱因斯坦这个著名论断做了解读,原来他不经意改换了粒子的编号,1换成S1,2换成S2,以适合他的直觉和定域实在论思想。在纠缠光子对中,光子1的非空态与永远相伴(重合)的光子2的准空态会同时受外界作用,所以很容易误解为改变光子1的实在状态会影响遥远的光子2的实在状态,原来,光子2的非空态远在天边,而它的准空态就近在眼前。因此,对纠缠粒子的测量时不存在波函数的关联坍缩,非定域影响子虚乌有,这种影响只虚构在量子物理学家的头脑里,怪不得此种影响可以瞬间远达天边,无需媒介,也没有任何东西能阻拦。由此可见,贝内特等的量子隐形传态理论,错在依据所谓非经典关联(非定域性)和波函数的关联坍缩假设,深层次说,他们未意识到可以把纠缠量子的态分出非空态和准空态来解释量子纠缠行为。

      有人很喜欢用“薛定谔猫态”概念,所以有必要谈一下著名的薛定谔猫悖谬。薛定谔考虑,把一只猫放在一个盒子里,其中有等几率发射粒子的放射源和装有 ** 的小瓶。放射粒子将会驱动一个锤子打破瓶子放出毒物,如果还无原子衰变,猫还活着,第一个原子衰变就会把它毒死,按哥本哈根学派的观点,这时整个体系的波函数以半死半活的猫表示,而猫的死活结局依赖于打开盒子和观察者的一瞥,这一瞥引起死活叠加态向死猫或活猫的确定状态坍缩。薛定谔用这场猫剧嘲笑“观察创造实在”和波函数坍缩假设。这个悖谬关系到量子力学的基本问题:宏观物体的经典性是如何出现的。哥本哈根学派声称,量子力学的描述是完备的,也完全适用于宏观物体。这似乎意味着,一个宏观物体可以处于一个叠加态。然而,实际情况是,微观实物粒子的物质波在宏观物体内部是受屏蔽的,即物体的外层必然会屏蔽内层的物质波,这样一来,物体只剩下非常薄的表面层对外有量子效应,即物体整体的波动性微不足道,它的运动不再受量子力学统摄,而完全服从牛顿力学。因此,放射粒子与猫不会发生“量子纠缠”,不存在猫的半死半活叠加态,更无其在一瞥下坍缩的奇事。故玩“薛定谔猫态”概念没有意义。

      从以上的论述推断,利用波函数坍缩使半透镜成为光子纠缠器是空想,表演的似魔术,利用波函数关联坍缩进行量子隐形传态也是空想,表演的似巫术。事实上,至今,多光子纠缠和量子隐形传态的“实验实现”都还缺少足够的验证和决定性的证据。以笔者之见,量子隐形传态的理论是错误的,用半透镜纠缠光子的实验路线也是错误的,何来辉煌的成果。看来,那些诚实君子为取得成果,也许要花太长时间和太多精力在凑出所希望的数据上。如果实验起自同一个用于激发的激光脉冲,终于符合计数测量,则太有可能设法测得几条数据曲线演示自欺欺人的成果,这种成果永远只能是一些曲线,至少十年来看到的是如此。在上面论述中看到,量子的某些行为似乎违反因果律,是出于误解,是表观的,不是真实的,科学服从因果律,量子力学并不例外。不幸,对某些量子现象的非因果性解释已导致有迷人“应用前景”的量子魔巫术的涌现,有借名刊登载和赞许,吹得神乎其神,捧得无以复加,获巨额资金支持不在话下。对这类魔巫术的危害不可低估。时至今日,“首次实现”和“国际领先”的“成果”还在继续震惊世界,恐怕这样下去会闹出天大的笑话。

            (作者:北京大学物理学院王国文)

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Jun 09 2010

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Jun 07 2010

王国文:量子纠缠和隔空传物巫术、探究量子真莫道不消魂相--拒绝量子巫术

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王国文:量子纠缠和隔空传物巫术

      让笔者先杜撰一个幽默故事,用来形象化地介绍隔空传物的理论和实践。北京要派孙悟空立刻去深圳任动物园园长,巧遇特大台风和洪水,一切交通中断。幸好两地都有隔空传物专家以及有双胞胎猴子可以帮助解决问题,这对猴子,一只在北京,另一只在深圳,都持有同胞的全息像,好比是互相纠缠的。现在北京的隔空传物专家按程序首先要做的是,把老孙-猴子联合体按特定方式拆分,用数学语言,即把描述老孙的态矢量与这对猴子的纠缠态张量的“张量乘积”投影到描述四只八卦炉的各个态张量上。四只炉子是四对双胞胎猴子的化身,代表老孙与猴子的四种不同基本纠缠方式,专干对老孙进行脱胎换骨的勾当。贝内特等人的隔空传物(teleportation)理论表明,在2号炉上的投影正好是同胞的全息像,而在1号上的变了,右侧各器官都扭转了180度,在4号上左右反了,而在3号上的,不仅左右反了,右侧各器官还都扭转了180度。这时深圳的猴子当园长要等老孙在北京被销毁,因为拷贝是“被禁止”的。按理论,他进哪一只炉子是随机的,几率各占四分之一。这回老孙随机闯进的是2号炉,专家笃信他包含的全部信息刚好原样转移到深圳那只猴子身上。一当用手机告知是2号,深圳猴子就被“核实”是地道的孙悟空了。如果不是2号,也很简单,只要按告知的炉号,用相应的“线性变换”做一下修复就行。听起来像煞有介事,然而悟空窃喜,专家们混淆虚实,颠倒远近,把俺老孙的信息就地替换深圳猴子全息像中的信息,当作信息在量子信道上的隔空传送了,所谓隔空传送量子态和隔空传物是伪的。

      隔空传物理论是基于所谓量子纠缠的非定域性,如果量子纠缠的本性是定域的,那么隔空传送量子态的实验演示是巫术。于是,量子纠缠是非定域的还是定域的成为问题,那种实验演示是重大进展还是巫术相应成为问题。以下将论证量子纠缠的本性是定域的,绝无隔空传送量子态和隔空传物的可能性。

      有一本2001年出版的书,艾克泽尔著,中译本名为《纠缠—物理世界第一谜》,反映现时流行的一种观点,其中写道:“在量子的稀奇古怪世界里,最使人困惑的现象是被称为纠缠的效应。甚至百万千万英里远离的两个粒子神秘地联在一起,其中之一不管发生什么事就会立刻使另一个粒子发生变化。”郭光灿院士考虑到“量子纠缠之谜是一个非常深刻的问题,是当前一个非常重要的研究领域,可以借此[出芦笛丛书]机会给所有对此感兴趣的人讲清楚什么是纠缠。”他和高山的大作《爱因斯坦的幽灵—量子纠缠之谜》中是这样描写量子纠缠的:“如果对其中的一个粒子进行测量,另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响,并发生相应的状态变化,无论它们相距多远。”天哪!恐怕对如此的纠缠关系无人能讲得清楚。

      我们要问,东乡的书记一感冒,西乡的乡长就打喷嚏,西乡的书记一感冒,东乡的乡长也打喷嚏,这种纠缠有谁能讲得清楚。这倒是能讲清楚的,答案极其简单,那就是,东乡的书记张三兼任了西乡的乡长,西乡的书记李四兼任了东乡的乡长。有人好比深信李四一感冒远方的张三就打喷嚏“确有其事”,并想把它向公众“讲清楚”道理,能讲得清楚吗。在量子世界里,两个纠缠粒子占据四个态,要纠缠只有像兼职那样集于一身的“兼态”方式,在逻辑上排除任何其它可能性,这应该是这个谜的唯一答案吧,小学生都知道4=2乘2。这个判断是纯逻辑的,无论在宏观世界还是微观世界,科学屈从逻辑。似乎这个答案太廉价,使人不放心,甚至坚决反对,他们相信已经有理论和实验证明隔空传物(teleportation)的可能性。teleportation被中译为“量子力学隐形传态”,把隔空改为隐形,把传物改为传态,遮盖了它赤裸裸的巫术性。虽然该理论的数学公式只涉及量子态,但是把它直译隔空传物是忠于该理论的作者们的原意的。中国科技大学潘建伟明白他们的原意,说:“也许在某个世纪,真的能够传输人类本身,就像《星际旅行》中的科学幻想。”
      二粒子可能有特殊的关联行为是爱因斯坦等三人(EPR)在1935年发表的一篇论文中提出的。薛定谔读了该文后把这种行为起名为纠缠(Verschrankung,其中的a上要加两个点)。在德语中双手交叉在胸前称纠缠,我们就用类似的情景来了解纠缠的本性。拿宰的猪来比方,把猪的左右腿交叉,当中斩开,左蹄右肘装一包,叫包a,右蹄左肘装一包叫包b。包a北京自家煮着吃,包b快递给上海的老弟。如果混淆猪脚的左右编号和包的a,b编号,就会认为左脚下锅煮,右脚就瞬时“感应”到远方煮的影响也熟了,似乎发生了隔空感应影响。再一个极好的隐喻是,元朝管道升给夫君赵孟頫写的“我侬词”:“你侬我侬,忒煞多情。情多处,热似火。把一块泥,捻一个你,塑一个我。将咱们两个一齐打破。用水调和。再捏一个你,再塑一个我。我泥中有你,你泥中有我。与你生同一个衾,死同一个椁。”

      假如我们有许许多多这样的包a和包b,设一批包a有先后煮熟的和生的“左蹄”随机序列z1(熟),z2(生),z3(生),z4(熟),...。因是下锅一起煮的,当然同样有“右肘”序列y1(熟),y2(生),y3(生),y4(熟),...。如果混淆猪脚的左右编号和包的a,b编号,就以为“左脚”有随机序列z1(熟),z2(生),z3(生),z4(熟),...时,远方的“右脚”感应出了序列y1(熟),y2(生),y3(生),y4(熟),...。这不是可用来建立远距通信的牢不可破的密码协议吗,它来自纠缠,纠缠是自然规律,因此以为这种加密万无一失为自然规律所保证。这里讲这个隐喻,是为了告诉大家,目前用此法的所谓牢不可破的量子加密工程是荒唐的,是基于对量子纠缠本性的误解。

      顺便指出,一般,两个光子分别从半透半反镜各侧入射时,出射总有四个波(态),这四个波是独立传播的,其中不存在集于一体的“兼态”,所以凡是证明半透半反镜加符合计数探测能纠缠光子的理论和实验都是谬论和编造。利用这种方案制备的假光子纠缠肯定办不成任何真事,包括造量子计算机。这种方案也不能用来做贝尔基测量,凡以这种贝尔基测量作为关键实验路线得到的所谓成果均为虚假,尽管十余年来那些论文受国际顶级刊物青睐。

      现在我们用量子的初包模型(见《物理》1991年第8期p.498)来解释量子纠缠:例如,一个紫外光子打在一个非线性晶体(例偏硼酸钡晶体)上,如果条件合适就变成两个红外光子,编号1和2,设想此时已发生了纠缠,即光子1的含峰片与光子2的不含峰片融合成一个光子,新编号a,光子2的含峰片与光子1的不含峰片融合成另一个光子,新编号b。这情景正好解释了一对纠缠粒子的态叠加的数学表示式,式中标的是光子的原编号1和2。这种纠缠的特点是不能再解开,像子女身上的父母基因不能再分开一样,
      只能逐代淡化。郭光灿和高山声称:“在微观世界中,粒子由于相互作用不断发生量子纠缠,而当这种作用延伸至宏观物体(如测量仪器)时,由于波函数坍缩过程的发生,即使最紧密的量子纠缠也将被解开。”这个说法无根据,因为不是任何二个物体间都会发生量子性纠缠,而且量子纠缠后不可能再解开,再说波函数坍缩也不是一种物理过程。实际上量子力学不描述从1,2到a,b的这种编号变化,这种变化应看作这纠缠制备过程的新结果。可做同样解释的再一例是氦原子中1s电子与2s电子的纠缠,这纠缠效应是一直不明物理真莫道不消魂相的交换能的来源,交换能的出现是因库伦作用的计算中保持了纠缠前的电子编号,这是量子力学形式体系的自洽性所决定的。在EPR论证中举例的一对纠缠粒子,情况类似,假如考虑到编号的变化,EPR佯谬不复存在。这个情景如果反映量子纠缠的真莫道不消魂相,那么,所谓纠缠粒子的隔空作用(非定域性)纯属子虚乌有,系混淆空实、颠倒远近的产物。因此对分离粒子a和b的p和x测量时,它们的均方根差应有下列关系式:

△x(a)△p(a)大于等于hbar/2,△x(b)△p(b)大于等于hbar/2,
△x(a)△x(b)=△p(a)△p(b)=△x(a)△p(b)=△x(b)△p(a)=0
      我们应当还有能量-时间和角动量-角变量不确定关系式。的确这些关系式隐含着原编号粒子1与2的成分的交叉不确定关系和定域关联,它们表示在粒子1(或2)的含峰片上的测量伴随着对粒子2(或1)的不含峰片的测量,这里的含峰片与不含峰片是融合在一起的,因而二者的关联是绝对定域的,可见所谓量子纠缠具有非定域性的论断出自对量子力学的原则性误解。

      玻尔在反驳EPR论证的文章中称他们(EPR)的实在性概念是含糊的,含糊在无任何扰动上,称虽无力学扰动,但不免有与测量条件相关的影响。他在这反驳文章的脚注中,对“相互作用或不作用”的一对粒子,写出对易关系:

[q(1),p(1)]=[q(2),p(2)]=ih/(2·pi),
[q(1),q(2)]=[p(1),p(2)]=[q(1),p(2)]=[q(2),p(1)]=0

这里的1,2在原文中是下标。我们知道这些式子对应下列关系式:

△q(1)△p(1)大于等于hbar/2, △q(2)△p(2)大于等于hbar/2,
△q(1)△q(2)=△p(1)△p(2)=△q(1)△p(2)=△q(2)△p(1)=0

      这些式子表示,对粒子1(或2)的q或p的测量不会使粒子2(或1)的状态发生变化,可见玻尔实质上并未否定爱因斯坦(或说EPR三人)提出的分离性原则,他只是由互补原理来捍卫量子力学的描述是完备的观点。那么纠缠行为又在哪里呢,好像玻尔泼洗澡水连孩子一起倒掉了。虽然EPR论证和玻尔的反驳都未切中对方的要害,但是EPR发现量子力学用于二粒子体系时在数学形式中可能出现一种特殊的关联,是一项非常重要的发现。不过他们以为这种关联与实在的概念矛盾,由此误认为这种矛盾起自量子力学描述的不完备,尽管它是不完备的。另一方面,玻尔发现EPR的实在概念是含糊的,含糊在无任何扰动上,他的这个意见包含着一份深奥真理,虽未知扰动之真莫道不消魂相。

      薛定谔在1935年发表的论文“量子力学的目前状况”中写道:“任何发生的“预半夜凉初透言的纠缠”显然只能归于这个事实,即这两个物体在较早的某个时候形成真实意义上的一个体系,而且二者已经留下各方的印记。”并说:“在分离体系上的测量不会直接彼此发生影响--那种影响是巫术。”他称纠缠是量子力学的特有品性,在几乎同时发表的另一篇文章“分离体系间几率关系的讨论”中开头写道:“如果我们由其各自的表示知道它们状态的两个体系,其间由于已知的力受到暂时的物理作用,而且如果这些体系相互影响一段时间以后再分开,那么它们不再能如前的同样方式描写,即不再能赋予它们各自的表示。我们不说有什么东西强迫量子力学完全背离经典思想路线,宁可说那是量子力学的特有品性。这两种表示[量子态]由于这相互作用已经变得纠缠起来。”虽然他把两个体系在纠缠时留下各方的印记的想法和含峰片与不含峰片的融合图象一致,但他也不知这种融合的纠缠真莫道不消魂相。

      上面指出的量子纠缠真莫道不消魂相和给出的纠缠粒子的不确定关系式可能遭到反对,这里我们不得不多一点罗嗦进行解释和辩护。在量子力学的数学形式体系中,对一对纠缠粒子,只见编号1和2,从1,2到a,b要当作一次制备来看待,这是认识量子纠缠真莫道不消魂相的关键。爱因斯坦在文章“自述”中表示“坚定不移地认为”:“体系S_2的实在状况与我们对那个在空间上同它分离的体系S_1所采取的行动无关。”这被称为分离性原则。除非被某些荒谬理论彻底洗了脑或十足被一些巫术性实验演示所迷惑,我们的智商还不至于低到连如此简单的真理--分离性原则--都不信,爱因斯坦说,分离就是无相互作用的同义语。不过,他同玻尔一样,未意识到发生纠缠时体系结构的变化和粒子编号的相应变化,在否定非定域影响的同时,还否定了纠缠中实际存在的那种不易发现的定域性关联,即含峰片与不含峰片的融合。现在的结论是,量子纠缠中非经典关联存在,但它是绝对定域的,不存在与相对论矛盾的问题。爱因斯坦认为量子力学对微观实体的描述不完备,现在看来,这种不完备性还包含这理论不描述粒子编号的变化,这一点才是认识EPR佯谬的关键。另一方面,玻尔认为纠缠前后粒子状态的定义发生了变化,他在1939年发表的“原子物理中的因果性问题”文章中提到,爱因斯坦的“态”概念与量子力学中的态概念不同是EPR佯谬的来源,他写道:“事实上这个佯谬能在量子力学形式体系中找到圆满的解答,按照此体系,关于同这个物体曾接触过的分离的那个物体,没有“态”概念的任何明确使用被允许,直到涉及这个概念的定义的外部条件明确地被对这个从属物体的进一步适当控制所确定。”现在看来,玻尔的粒子状态的定义发生变化的思想与这种粒子编号的变化情况倒是一致的。前面说的,左蹄熟了,右肘也同时熟了,隐喻了量子纠缠的整体性和定域性,而包a的东西熟了,包b的东西不受隔空感应影响,隐喻了量子纠缠的分离性,玻尔的整体性思想与爱因斯坦的分离性思想在字面上好像是冲突的,实际上是相容的,因此,纠缠前后粒子编号变化的认知调和了他们的整体性与分离性思想的对立。记得玻姆不认为能利用量子的非定域性做信号超光速传递,不同于他的思想,贝尔的非定域性(即隔空鬼魅作用)思想和后来的发展,着实把量子信息科学引向歧途,吹得天花乱坠,成为蜂拥而上的淘金场所。好在玻尔从来不支持隔空鬼魅作用,在这大是大非关口爱因斯坦和玻尔的思想是一致的,要不然,被奉为宝贵物理资源的隔空鬼魅作用说不定会带来更大的祸害。
      尽管爱因斯坦和玻尔都否认量子力学的非定域性,也有许多支持者,但是目前情况有点不妙,代表一种思潮,日内瓦大学一位著名教授尼古拉·吉辛(N. Gisin)在向鬼魅作用呼万万岁:“我们有幸生活在物理学发现和探究大自然非定域特性的时代。与牛顿引力的非定域性相反,量子非定域性与我们永存。未来的科学史家们将把我们的时代描写为非定域性伟大发现的新纪元。” 非定域性是指相距无论多远的物体间的瞬时影响,这种影响无需通过媒质传递,无任何东西能阻挡。爱因斯坦嘲笑它为隔空鬼魅作用,传心术式的影响,薛定谔称它为巫术。隔空传物理论的第一作者贝内特自己也称它像伏都(voodoo,通灵术)。居然,世上有一大批专家十余年来不顾旁人诸多质疑或反对,对隔空鬼魅作用顶礼膜拜,走火入魔地争先恐后编造阳性实验成果,置起码严谨性于脑后,自欺欺人,把量子信息科学引向歧途,并危及科学和文化思想。好在人们已经逐渐发现,他们称成就非凡是假,一事无成是真。这类虚假成果在2009年已明显减少,史无前例的狂吹与瞎棒也有所降调,情况有好转迹象。借隔空鬼魅作用搞创新不会有任何效果是肯定的,及早迷途知返为好。不过拨乱反正有待时日,可能因成见太多、太深,积重难返。恐怕还会有非学术因素的影响,在斯坦福哲学百科全书中,有一个条目“玻姆力学”,其中写道“凡参与同行争论量子力学基础者,不管其见解如何,很可能同意托尔斯泰的这个说法:有些人把个人的结论,津津乐道向同僚讲解,趾高气扬对他人教导,根根花线编织人生锦缎,哪怕有最简单最明显的真理要迫使他们承认那些结论为伪,我知道多数人,包括能够轻易对付最最复杂问题的,皆难得接受那个真理。”

      至今,许多物理学家和哲学家相信,“名为贝尔不等式的数学关系式的实验违反敲响了量子力学中爱因斯坦的定域实在论思想的丧钟”和“1997年奥地利因斯布鲁克大学泽林格领佳节又重阳导的研究组首次实现了光子的隐形传态”,他们毫不怀疑隔空鬼魅作用的存在,甚至有许多专家竭力做实验给人们看,世界是多么鬼怪。现在可以说,量子是实在的,量子的纠缠是定域的,贝尔型不等式实验的违反正说明这类不等式本身属于杜撰,用来否定爱因斯坦的定域实在论思想是节外生枝,而且用它们对量子态是否纠缠的检验也毫无意义。贝内特等人依据对量子纠缠本质的错误理解提出的隔空传物理论,是混淆空实、颠倒远近的产物。他们的推导简单、清晰、数学上严格,问题出在物理含义的认识上。鉴于叠加态的成分中至多一个成分是非空的,仔细分析他们推演的公式中各项的空实性和远近性就不难做出上述结论。因此“量子隐形传态可用于大容量、原则上不可破译(万无一失)的保密通信,也是量子计算的基础”这种说法不可信。这里作者要说,隔空传物(态)理论是二十世纪最荒唐的理论,包括其最荒诞的演示,终将以反面教材载入科学史册。与此相关,这里要附带指出,郭光灿院士担纲撰写的科普大作《爱因斯坦的幽灵—量子纠缠之谜》恐怕会严重误导公众,有悖于芦笛曲丛书的出版宗旨。这套丛书肩负国家科技计划科普化的示范,不同于无足轻重的消遣读物,也不同于提供讨论的个人学术著作。




王国文:探究量子真莫道不消魂相--拒绝量子巫术

      量子史是一部发展进程特别曲折的历史,一部在漫长岁月中充满争论、不断革新的历史,从对立的微粒说和波动说,到谜般的波粒二象性学说,进而去探求二象性的综合。量子力学的确美妙无比,功丰绩伟,惟难于懂得,爱因斯坦曾称自以为懂者是无赖,在欺骗自己,费曼称无人懂得量子力学。光的双缝干涉现象就是首先碰到的一个谜,一个微粒看来好象是同时通过双缝的,否则不会有干涉条纹,但是,如果紧贴狭缝观察,总是看到好像是整个微粒通过狭缝,从来看不到半个、大半个或小半个,说明量子干涉现象中深深藏着奥秘。还有,量子力学的数学形式表示,纠缠粒子体系中一定有某种不可分离性、某种关联,然而,如果要说它们在分离后还存在隔空鬼魅作用就难以置信,说明量子纠缠中也深深藏着奥秘。还有一个大问题是,量子力学与牛顿力学是如何衔接和过渡的,这又是一大奥秘。如何揭开这三大奥秘的问题摆在我们面前。诺贝尔奖得主拉比在玻尔诞辰百周年纪念大会上讲:“我觉得,我们还未得要领,下一代人,他们一旦找到那个要领,就会拍拍脑袋说,他们过去怎么会想不到呢?”

      量子的奥秘源出不明量子真莫道不消魂相,澄清或解决许多观念问题都有待探明量子的真莫道不消魂相。量子力学的推论引出的佯谬、悖谬和矛盾累累,问题到底出在哪里。这个理论本身是完全自洽的,问题可能出在我们对它的理解上。爱因斯坦自己明白波粒二象性观点只是权宜之计,综合波粒二象性和统一对场和实物的认识是他的夙愿。量子力学的诠释纷纭,各人也有各人的理解,他们那里或有可取之点,或牵强附会,或甚至近乎荒唐,虽不无启发或探讨意义。作者相信,量子干涉和量子纠缠终将在波粒二象性综合基础上得到合乎逻辑的解释,而且一旦了解量子的真莫道不消魂相,微粒的量子性到宏观物体的经典性过渡问题也就能随之解决。

      目前的情况令人担忧。日内瓦大学一位著名教授尼古拉·吉辛声称:“我们有幸生活在物理学发现和探究大自然非定域特性的时代。与牛顿引力的非定域性相反,量子非定域性与我们永存。未来的科学史家们将把我们的时代描述为非定域性伟大发现的新纪。”非定域性是指相距无论多远的物体间的瞬时影响,这种影响无需通过媒质传递,无任何东西能阻挡,爱因斯坦嘲笑它为隔空鬼魅作用,传心术式的影响,薛定谔称之为巫术。宣告这种作用或影响的存在已经被实验证实,能信吗?居然,世上一批专家十余年来不顾旁人诸多质疑,走火入魔地一味编造实验成果,危害科学,特别是把量子信息科学引向歧途,并危及我们的文化思想。更可怕的是,传授这类错误的教科书误人子弟,以及这类科普著作严重误导公众。

      物理学现在似乎有点乌烟瘴气,面临危机。危机起自约翰·贝尔1964年提出的不等式和他的定理,美国加州大学劳伦斯伯克利实验室的亨利·斯塔普称“贝尔的定理是最深刻的科学发现”,爱伦·阿斯佩克特叫喊“贝尔不等式的实验违反敲响了量子力学中爱因斯坦的定域实在论思想的丧钟。”我们正面临挑战和考验。尽管爱因斯坦对量子力学有某些误解,本人还是坚信,爱因斯坦的定域实在论思想最终必胜。


附:量子巫术新闻一则:
   
      新华网合肥6月4日电 (记者 熊润频)存放着机密文件的保险箱被放入一个特殊装置之后,可以突然消失,并且同一瞬间出现在相距遥远的另一个特定装置中,被人方便地取出。记者从中国科学技术大学获悉,日前,由中国科大和清华大学组成的联合小组在量子态隐形传输技术上取得的新突破,可能使这种以往只能出现在科幻电影中的“超时空穿越”神奇场景变为现实。
    
      据联合小组研究成员彭承志教授介绍,作为未来量子通信网络的核心要素,量子态隐形传输是一种全新的通信方式,它传输的不再是经典信息,而是量子态携带的量子信息。
    
      “在经典状态下,一个个独立的光子各自携带信息,通过发送和接收装置进行信息传递。但是在量子状态下,两个纠缠的光子互为一组,互相关联,并且可以在一个地方神秘消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方瞬间神秘出现。量子态隐形传输利用的就是量子的这种特性,我们首先把一对携带着信息的纠缠的光子进行拆分,将其中一个光子发送到特定位置,这时,两地之间只需要知道其中一个光子的即时状态,就能准确推测另外一个光子的状态,从而实现类似‘超时空穿越’的通信方式。”彭承志说。
    
      据介绍,量子态隐形传输一直是学术界和公众的关注焦点。1997年,奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证。2004年,该小组利用多瑙河底的光纤信道,成功地将量子“超时空穿越”距离提高到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰,量子态隐形传输的距离难以大幅度提高。
    
      2004年,中国科大潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。在自由空间,环境对光量子态的干扰效应极小,而光子一旦穿透大气层进入外层空间,其损耗更是接近于零,这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。
    
      据悉,该小组早在2005年就在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠“拆分”、发送的世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。2007年开始,中国科大——清华大学薄雾浓云愁永昼联合研究小组在北京架设了长达16公里的自由空间量子信道,并取得了一系列关键技术突破,最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输,证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性,为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。
    
      据悉,该成果已经发表在6月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然光子学》上,并引起了国际学术界的广泛关注。

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May 08 2010

王国文:对海森伯不确定关系式的理解

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王国文:对海森伯不确定关系式的理解


 


[摘要]对海森伯不确定关系式的理解是理解量子力学的一个主要方面。本文论证,微观粒子本来同时具
有位置和动量的精确值以及同地具有时间和能量的精确值,并说明这与海森伯不确定关系式不矛盾。文
中讨论了量子纠缠的真莫道不消魂相,给出了纠缠粒子的不确定关系式,指出量子纠缠的本性不是非定域的。讨论
了微观粒子行为到宏观物体行为过渡的真莫道不消魂相,给出了介观物体的不确定关系式,指出量子力学的经典极
限是有效屏蔽参数趋于0,而不是普朗克常数趋于0。讨论了不确定关系式与量子态的叠加性的关系,指
出这种不确定性是态叠加性的后果。讨论了不确定关系式与波函数几率诠释的关系,指出不确定性不是
统计关系出现的真正原因,原因在于量子力学描述的不完备性和预半夜凉初透言的几率性。讨论了不确定关系式与
微观粒子的实在性,指出这种关系式并不违反客观实在论。讨论了不确定关系式与因果决定性,指出这
种关系式并不违反因果决定论。还讨论了不确定关系式与普通语言,指出在量子物理中缺失的是有关量
子本质的意识,而不是有关量子的语言。还论证海森伯借伽马射线显微镜和斯特恩-革拉赫实验装置证
明不确定关系式的思路和方法都是错误的,好在结果正确。文中还附带评论郭光灿院士担纲撰写的科普
大作《爱因斯坦的幽灵—量子纠缠之谜》,指出恐怕此书会严重误导公众,有悖于芦笛曲丛书的出版宗
旨。


内容目录:


1.不确定关系式的发现和改进
2.对不确定关系式的一般认识
3.纠缠粒子的不确定关系式
4.介观物体的不确定关系式
5.不确定关系式与量子态的叠加性
6.不确定关系式与波函数的几率诠释
7.不确定关系式与微观粒子的实在性
8.不确定关系式与因果决定性
9.不确定关系式与普通语言
10.海森伯证明不确定关系式中的错误


1.不确定关系式的发现和改进


      海森伯发现的量子力学(矩阵力学)显示一个惊人特征:pq-qp=hI/(2·pi·i),q是粒子的位置矩阵,p是它的动量矩阵,I是单位矩阵,h是普朗克常数。关于这个怪东西,倒有个值得一提的故事。1925年7月19日,波恩会见泡利,告诉推测的这个等式和找非对角元素的困难,问是否愿意在这个问题上合作。原以为他会感兴趣,出乎预料,反遭讥讽:“是的,你喜好令人厌烦的复杂数学公式,你只会用你的垃圾数学糟蹋海森伯的物理思想。”海森伯为解释这个等式和威尔孙云室中电子的径迹,想象用伽马射线显微镜测量电子的位置,同普通显微镜,这种显微镜的位置观测精度是伽马射线的波长量级,波长愈短,被碰撞的电子的动量改变愈大,因而推测,在量子力学中,一个电子只能以一定的不确定度处于某一位置,同时也只能以一定的不确定度具有某一动量。他在1967年发表的文章“量子理论和诠释”中回忆:“记得早前在哥廷根与一位同学讨论时,我有了一个想法,研究一下借伽马射线显微镜测定粒子位置的可能性,我用此法很快得到我相信是一致的和无矛盾的解释。”他在1927年发表的论文“量子运动学和力学的直观内容”中写道:“位置测得愈准确,此刻动量知道得愈不准确,反之亦然。在这个情况中,我们看到等式pq-qp=h/(2·pi·i)的一个直接物理诠释。设q_1为已知q值的精度(比如说,q_1是q的平均误差),因而这里q_1是这光的波长。设p_1为可以测定的p值的精度;也就是说,这里p_1是康普顿效应中p的不连续变化,因此,按康普顿效应的基本规律,q_1与p_1有关系式


p_1·q_1~h.


      下面将证明这个关系式是规律pq-qp=h/(2·pi·i)的直接数学后果。”这里的“_1”表示下角码1。不过,未见他从这个矩阵等式做推导,而用了狄拉克-约旦变换理论和傅里叶变换,从高斯包导出:


p_1·q_1=h/(2·pi)


这里q_1和p_1是高斯包的半宽度。他还用斯特恩-革拉赫实验装置证明电子经过磁场区的有限时间t_1引起能量的不确定量E_1,给出能量-时间不确定关系式E_1·t_1~h,对应对易关系Et-tE=h/(2·pi·i)。文中还给出角动量-角变量不确定关系式J_1·w_1~h,对应对易关系Jw-wJ=h/(2·pi·i)。在对易关系中的p、q、E、t、J、w都是矩阵,原文中都用黑体表示。后面我们要论证他借伽马显微镜和斯特恩-革拉赫装置证明不确定关系式的思路和方法都是错误的,好在结果正确。


      同年(1927年),肯纳德(E. H. Kennard)在文章“简单类型运动的量子力学”中,以均方根差△q和△p定义q_i=1.414△q和p_i=1.414△p(1.414代表根号2),用矩阵力学证明严格的不确定关系式:


p_i·q_i大于等于h/(2·pi),即△p△q大于等于h/(4·pi)


      玻尔不满意海森伯的证明,在1928年发表的文章“量子假设和原子理论的新近发展”中给出了自己的证明。他写道:“严格地说,一个有限波场只能由对应所有值[频率]nu和[波数]sigma_x,sigma_y,sigma_z的许多基元波的叠加得到。但是在这波群中两个基元波的这些值之间的平均差值的量级,在最优情形中,由下列条件给出:


△t△nu=△x△sigma_x=△y△sigma_y=△z△sigma_z=1


这里△t表示波场在时间中的扩展,△x,△y,△z表示波场沿对应这些坐标轴的空间方向的扩展。这些关系式--是从光学仪器理论,特别是从瑞利的光谱仪的分辨力研究熟知的--表示情况:这些波列由于在时空边界的干涉而彼此相消。这些关系式也可以看作表示着,这个波群作为整体没有同这些基元波一样意义的位相。因此从等式(1)[E·tau=I·lambda=h,E是能量,I是动量,tau是振动周期,lambda是波长]我们发现


△t△E=△x△I_x=△y△I_y=△z△I_z=h


决定着在定义那些个体与波长相关的能量和动量中的最高可能准确度。”


      1929年罗伯特森(H. P. Robertson)在文章“不确定性原理”中对单粒子体系的任何一对正则共轭变量A和B,证明可用对易算符[A,B]=AB-BA表示不确定关系式的一般形式:


△A△B大于等于|<[A,B]>|/2


这里△A和△B是这些量的均方根差。他的推导被量子力学教科书普遍采用,这里无庸赘述。


      一般认为,量子力学首要或重要的基本概念是海森伯不确定关系式,鲁阿克(A. E. Ruark)在1927年发表的文章中和爱丁顿(A. S. Eddington)在1928年出版的书(1927年做的讲演)中都称它为不确性原理。


      关于名称,海森伯自己在1927年发表的文章摘要中称不确定性(indeterminacy),文中有时也称不确知性(uncertainty)。名称依赖观点,雅默(M. Jammer)在1974年出版的《量子力学的哲学》书中讲了三种:
1.如果我们强调观察量的值的(主观)知识的缺乏,我们采用名称不确知性(uncertainty),与海森伯的用法一致。
2.如果我们强调观察量的(精确的)值的想象客观性(即不依赖于观察)的缺乏,我们采用名称不决定性(indeterminateness)。
3.如果哪一方面都不强调,我们采用不确定性(indeterminacy)作为中性名称。
      现在,在文献中最通用的名称是uncertainty(意谓不确知性),中译为不确定性。显然不确知性是认识论概念,不是本体论概念。


      海森伯认为他的关系式表明矩阵力学的直观性不比薛定谔的波动力学的直观性差。两位量子力学之父有过一场口水战。薛定谔证明矩阵力学与波动力学是等价的,论文于1926年5月发表,其脚注中说:“我完全不觉得开始与海森伯的理论有任何关系。我当然知道他的理论,但是对我似乎很难的晦涩代数方法及缺乏直观性使我气馁,如果不说觉得反感的话。”而海森伯在1926年6月给泡利的信中表示:“我对薛定谔理论的物理部分想得越多,我发现它越令人厌恶。...我认为薛定谔他所说的理论的直观性‘或许不很恰当’(玻尔的反响),换句话说,它是Mist[臭屎、胡扯],他的理论的重要结果是矩阵元的计算。”其实他们两人的理论同样抽象和缺乏直观性,相比之下,波动概念和波动方程是大家所熟悉的,容易接受,也方便应用。在这场涉及声誉和学术地位的竞争中,海森伯因提出不确定性关系式为自己扳回了一局。


      曾任《爱因斯坦文集》副编辑的卡斯第(D. Cassidy)的一篇文章中提到,对海森伯的“量子运动学和力学的直观内容”论文,玻尔要他撤回已投之稿。玻尔曾向爱因斯坦私下诉说,海森伯的整个思路太窄,而且他的伽马显微镜是完全错误的,虽然结果正确。海森伯信赖量子的粒子特性和不连续性,而玻尔认为粒子概念和波动概念同等重要,两人于是发生激烈的争执,后来海森伯在文章的校样中加上玻尔的一些意见和表示感谢,做了妥协。


      前面谈论的是不确定关系式的一般形式,对一定情况下的量子体系,这种关系式有严格的等式形式,等于大于的不等式只反映最低限度。这里我们将写出简谐振子的不确定关系式和推论出无限长单色平面波列的不确定关系式,以及写出无限深方势阱中粒子的不确定关系式和推论出无限短波长平面波的不确定关系式,并提及量子性和经典性的对应问题。对简谐振子的任何能量本征态,容易计算证明这时有不确定关系的严格形式


△x△p=(v+1/2)hbar, v=0,1,2,3,...


这里hbar=h/(2·pi)是约化普朗克常数。对于零点振动态(v=0态),有最小不确定关系式


△x△p=hbar/2


当v甚大时,波函数近似成为一定波长lambda、长度为L~v·lambda/2的波列,这时有不确定关系式


△x△p~v·hbar~(2L/lambda)hbar


      前面的这些式子与振子的基频大小无关,即与它的弹性力常数k大小无关,k趋于0相当于粒子趋于自由。由此推论,对无限长的单色平面波列,上式右边趋于无穷大。所以不能说一个粒子当它的态的量子数甚高时就变得像经典粒子,原则上无这样的量子-经典对应关系。因此玻尔提出的对应原理:在大量子数极限情况下量子体系的行为将趋向于与经典力学体系相同,原则上不可取,因为经典力学体系的△x△p=0。玻尔的这个对应原理在量子力学史上起过先导作用,海森伯在1958年出版的《物理学与哲学》的第2章中写道:“量子理论的精确数学形式最终来自两个不同的进展,其一[矩阵力学]始于玻尔的对应原理。我们必须放弃电子轨道的概念,但在高量子数极限即在大轨道情形中仍然必须保留它。”


      对于宽度为a的无限深方势阱中的一个粒子,容易计算证明这时有不确定关系的严格形式


△x△p=hbar(n^2·pi^2/12-1/2)^(1/2), n=1,2,3,...


对于最低态(n=1),它等于1.136·hbar/2~hbar/2,很接近最小不确定关系。波函数是波长为lambda=2a/n、长度限于a的波列,故当n甚大时有不确定关系式


△x△p~(n·pi/12^(1/2))hbar=0.907·n·hbar=0.907(2a/lambda)hbar (n甚大时)


      由此推论,对无限短波长的单色平面波,上式右边趋于无穷大。所以不能说当势场的特征长度像a甚大于波长时(或甚高频率时)一个粒子就变得像经典粒子,原则上无这样的量子-经典对应关系。因此爱因斯坦1936年的文章“物理学和实在”第5节中的说法:“这[薛定谔方程]理论的结果包含着--作为极限--质点力学的结果,只要薛定谔问题的解中所碰到的波长到处都很小”,原则上也不可取,因为经典质点的△x△p=0。


2.对不确定关系式的一般认识


      对海森伯不确定关系式的理解是理解量子力学的一个主要方面,量子理论的正统物理诠释集中在不确定关系式上。对此,首先要问的是,一个量子像电子或光子本来是否同时具有精确的位置和精确的动量。
      爱因斯坦认为有,支持者寥寥,多数人同意玻尔和海森伯的意见,认为无。这里我们先看曾谨言著的教科书《量子力学》里讲的:“不确定度关系表明,微观粒子的位置和动量不能同时具有完全确定的值,它是物质的波动-粒子两象性矛盾的反映。我们可以如下理解,按照de Bloglie关系式p=h/lambda,其中波长是描述波在空间变化快慢的一个量,是与整个波相联系的量。因此,正如“在空间某一点x的波长”的提法也同样没有意义,因而粒子运动轨道的概念也没有意义。 ”下面我们要提出不同看法。


      我们可以设想,如果一个微观粒子本来不同时具有精确的位置和动量,就不会有物理学。可是一个微粒是如何同时通过双狭缝和发生自干涉的呢,这看来是一个不解之谜。好在能从不确定关系式找到一点安慰,它似乎表示一个粒子动量确定时,坐标不会是确定的,既然如此,那么就不能说它非通过单一狭缝不可。不过还是不清楚它是以什么方式同时通过的,问题依然苛刻存在。看来,点状粒子的概念是非抛弃不可了,那么我们设法由潜波做个不发散的线性波包(初包)代替点粒子试试,初包是一个等权的傅里叶积分,其中只有一个分量的波矢和频率与粒子动量和能量相关,这个非潜的分量就是我们熟知的波函数。不是早已经被证明原则上不发散的线性波包是绝对不可能做出来的吗,这是一个特别顽固的成见,以讹传讹,阻碍着量子力学诠释问题和量子测量问题的解决。现在已经做出了给大家看,而且是在相对论框架内做出来的(见《物理》1991年第8期498-502页),无与相对论冲突之虞。不过同样有人会问一个初包又是如何同时通过双狭缝的,这似乎是一个致命的问题。我们相信自然界是和谐的,天无绝人之路,一个简单的想法是,难道初包的峰外部分也在量子世界里担当着主要角色不是,也许一个含峰片和一个不含峰片分别通过双缝,并发生干涉。这倒是很合乎逻辑的,因为这两片有同样数目的组成分,只是位相的关系不同而已,总幅度为零的不含峰片不一定意味着它完全没有效应,好比乱步过老木桥的一排士兵不比齐步走的战斗力差,虽然齐步走会使桥垮坍。也许真莫道不消魂相正是如此,说不定自然界的一个深层秘密从此揭开,真的能由此诠释量子力学理论和解释一切量子现象。不过我们也清楚知道,像光脉冲或德布罗意波包这样的次级波包,其中的不同分量关系到不同的动量和能量,因此次级波包原则上要发散,而且总幅度为零的不含峰片没有任何效应,即各成分(均非潜波)的效抵消了,这是与初包的不含峰片的行为根本不同的。这里我们要根据上述观点论证,微观粒子本来同时具有位置和动量的精确值以及同地具有时间和能量的精确值,这与实验事实相符,并指出这与海森伯不确定关系式不矛盾。


      按量子力学的潜波诠释和初包模型,初包峰的位置和动量同时具有精确的值。例如,在极弱光的极小孔衍射实验中,在感光板上出现的一个微小斑点代表一个光子的反应,作为放大像的斑点的大小与感光乳剂中银盐颗粒的大小有关,斑点中心原则上有精确的位置,而且从该位置值可以算出那个光子衍射偏离的精确角度,从而知道那个已知波长的光子的精确动量矢量,所以我们可以说,粒子本来同时具有精确的位置(初包峰的位置)和精确的动量。而海森伯不确定关系说的是,孔愈小,即光子在孔内的位置不确定量愈小,则动量矢量的方向(不是数值)的不确定度愈大,对应于光子偏离角的不确定量愈大。这不涉及一个感光斑点的弥散度,因此这个不确定关系与粒子本来同时具有精确位置和精确动量的思想并不矛盾。同时也表示那波函数不是这体系的实在情况的穷尽描述,是一种不完备的描述。


      对于能量-时间不确定关系式,我们可从1930年爱因斯坦提出的光子箱思想实验来看,这个关系式与一个光子的能量和跑出小孔口的时间具有精确值的思想并不矛盾。这个实验中的快门(时间缝隙)相当于衍射实验中的狭缝,如果用弹簧称测量光子箱的重量,弹簧称所连的指针读数相当于感光板上斑点的位置。比如说,快门的开启时间非常短,光子的能量不确定量变得非常大,则在一个光子通过快门之前和之后,弹簧称前后两个读数之差值在各次单光子测量中可能会很不相同,各次的读出值表示逸出光子的重量(等价的能量)。这里的单次读数误差相当于感光板上斑点的弥散程度,而多次测量结果的分布遵守能量-时间不确定关系式。玻尔对该思想实验用广义相对论进行了反驳,他从重力的作用,对宏观的箱子的运动用了不确定关系式△q△p~h,得到能量-时间不确定关系式△T△E>h,这里△q是宏观的箱子的位移不确定量,△T是称重过程的整个时间间隔T的不确定量。这个反驳是离谱的,第一,爱因斯坦光子箱实验中的时间不确定量明明是指快门的开启时间,而不是由重力势变化引起的时间变化△T,第二,在反驳中,对宏观的箱子用位置和动量的不确定关系式△q△p~h是错误的,这涉及对微观粒子行为到宏观物体行为过渡的认识,关于过渡问题放在后面讨论。


      爱因斯坦的这个思想实验企图证明一个光量子通过快门的时刻和它的能量(或重量)是可以测准的,并非想否定海森伯不确定关系式。玻尔误会他企图用这个思想实验置不确定关系式于死地,挖空心思予以反驳,以至动用广义相对论,以其人之道还治其人之身。埃伦费斯特在访问爱因斯坦后,于1931年7月写信给玻尔,告知爱因斯坦的这个思想实验不是为了否定不确定关系的有效性。信中说:“他[爱因斯坦]对我说,他已经很久绝对不再怀疑不确定关系了,因此,例如,决不会发明那个“可称重的闪光箱”(简称L-F-Box)“反对不确定关系”,而是为了完全不同的目的。”但他未讲目的到底是什么。既然不反对不确定关系,那么看来他是为了证明一个光子在精确时刻有精确的能量与不确定关系式并不矛盾,或暗示量子力学对微观粒子的描述不完备。


      我们熟知一个名词在不同语境有不同含义,这是自然语言的特征,例如名词“质量”,我们不会混淆文章质量和法码质量所称“质量”的不同含义。然而如果不顾量子力学数学形式体系和量子测量实验属于不同语境,不顾位置和动量这些名词的含义依赖于这些语境,就会出矛盾,这个情况甚至会导致把发生的矛盾嫁祸于自然界的神秘性。随着量子理论的扩展和实验的丰富和精密化,我们对认识上的矛盾的尖锐性更为敏感,更难以容忍,以至成当务之急,要求我们放弃某些成见,以更精确的方式去说明一切已知现象。现在我们知道,量子力学数学形式体系中出现的x和p并非粒子的坐标{x}和动量{p},前者仅仅是粒子的位置算符和动量算符的本征值。位置算符的本征态是次级波包,它的峰位于x,而{x}是初包的峰的位置;p是平面波表示式中出现的动量参数,或者说是动量空间中次级波包的峰的位置(本征值),而{p}是初包的动量。粒子同时具有坐标{x}和动量{p},但显然不能同时处在位置算符和动量算符的本征态,因而不能同时有本征值x和p。例如在x处用一个夹子夹住一个粒子(初包),这一操作好像使
它进入一个无限窄的势阱,这时它的本征态是一个次级波包,本征值是x,而这时p变得不确定({p}的值是随机的)。显然这个x与{x}趋于相等,所以可用这种方式测得粒子的精确位置。另一方面,要测量{p},只要不破坏长长的平面波列,从波长的测量值计算出的p趋于{p},而这时x是不确定的({x}是随机的)。混淆位置算符本征态(次级波包)与量子实体(初包)是最易犯的错误,例如,波函数坍缩假设和冯·诺伊曼用态矢投影描述测量过程都出自这种混淆。


      同样,量子力学中出现的t和E并非粒子的时间坐标{t}和能量{E},假如认为能量-时间不确定关系式中的“时间”t就是钟测量的时间{t},即认为t等同外部参数{t},那就以为这“时间”与动量-位置不确定关系式中的x在地位上不对应,因而错误地以为这两个不确定关系式在理论中的地位不同。德布罗意波函数中的t与作为外部参数的钟测量的时间{t}含义不同,是不能混淆的,E与{E}也不能混淆。泡利未做这种区别,在他的书《波动力学的一般原理》中写道:“在量子力学中时间t必须看作是普通实数。”然而,能量-时间不确定关系式中的时间均方根差△t不是△{t},我们知道这关系式中的△t应理解为这粒子的量子态的驰豫时间或寿命。如果把这个t看作是普通实数{t},即外部参数,就破坏了量子力学的自洽性,即内部一致性,以致上述两个不确定关系式在理论中的地位变得不同。在角动量-角变量不确定关系式中以及在后来发现的粒子数-位相不确定关系式中的量的含义均类似。


      至于威尔孙云室中荷电粒子的径迹,海森伯在提出不确定关系式之前就考虑过,他在《物理学与哲学》的第2章中说:“甚至在这个时候,1926年夏,在各种情形中还不清楚如何用这[量子力学]数学形式体系描述一种给定的实验情况。我们知道如何描述一个原子的稳定状态,但不知道如何描述简单得多的事件,例如穿过云室的运动的电子。”他考虑量子力学与粒子轨道概念的不相容问题,认为轨道是不能观察的,那种径迹并不表示轨道。他在1975年发表的文章“量子理论中的概念发展”中写道:“我记得,爱因斯坦告诉过我:“总是那个理论决定我们能够观察到什么。”那意味着,如果认真的话,我们不应当问:“我们能如何表示云室中电子的径迹?”而应当问:“在自然界中只有那些能用量子力学或波动力学表示的情况才会出现,这或许不是真的吗?”把问题这样转变一下,我们立刻明白,云室中电子的径迹并不是具有确定位置和速度的一条无限细线,实际上云室中的径迹是一系列的点,这些点是由水滴不太好地确定,速度也是不太好地确定。所以我简单地提这样的问题:“那好,就从这个原则出发,即仅在量子力学数学方案中能表示的那种情况才能在自然界发现,如果我们想知道一个波包的速度和位置二者,那么我们能得到的最佳准确度是什么?”那是一个简单的数学的工作,而且结果是那个不确定性原理,它似乎与实验情况相符。所以我们终于知道如何表示像电子路径这样的现象,但又付出了很高的代价。也就是说,这个解释意味着表示电子的波包在每个观察点上被改变,即在云室中每个水滴处被改变。在每个点上我们得到关于电子的态的新的信息;因此我们必须以表示这新信息的新波包代替原来的波包。”这是海森伯对云室中电子径迹的量子力学解释。这个解释表示量子力学与这种现象不矛盾,当然不矛盾不一定表示这个解释是切合实际的,认真地看,还是比较显然,他的这个解释是含糊的、形式的和非物理的。


      粒子同时具有精确位置和精确动量意味着粒子有精确的轨道,即初包峰的轨道,那么可以认为,在云室中荷电粒子的轨道会由它路径上凝结的雾珠串图像显示出来,而初包峰外部分效应的存在意味着粒子所受的扰动包含着不确定关系式支配的扰动部分。玻姆意识到量子势的存在和认为粒子本身有精确轨道,他在1952年发表的文章的摘要中说:“我们不必放弃个别体系的精确的、合理的和客观的量子级准确度描述。”现在我们可以把量子势归于初包峰外部分的定域效应(非超光速效应)。不过他把粒子本身的轨道与从波函数算出的粒子几率流混淆了,并错误地认为量子势效应是一种非定域效应。其实,他的潜变量理论并不是非定域潜变量理论,不如说是一个不成功的定域潜变量理论。


      另外,在势垒隧穿中,微观粒子的能量-时间不确定关系式与粒子本来同地具有精确时刻和精确能量的思想也不矛盾。从方势垒隧穿粒子的波函数通过数值计算可以发现,动能的不确定量△E与粒子在透入势垒深度上花费时间的不确定量△t满足关系式:△E△t大于等于hbar/2。在被势垒扰动时,动能低于势垒的粒子反射,高于势垒的跳过去,这个量子跳高模型消除“负动能”和“虚动量”佯谬,以及否定隧穿中的哈特曼效应(无限超光速效应)。


      爱因斯坦不喜欢哥本哈根学派对不确定关系式的诠释,他在1948年发表的文章“量子力学和实在”中表示倾向于相信这个观点:“这个(自由)粒子实际上具有确定的位置和确定的动量,即使它们二者不能在同一单体情形中由测量来确定。按照这一观点,psi函数体现实在事态的不完备描述。”并认为:“有朝一日终究要被一种更加完备更加直接的描述所代替。”他的好友波普尔(K. Popper)说:“爱因斯坦,波多尔斯基和罗森(EPR)的著名论文,以我之见(为爱因斯坦1950年所确认),是设计确证一个粒子可以同时具有位置和动量,用来反对哥本哈根诠释。”薛定谔也不喜欢这个学派对该关系式的非因果性诠释,他在1935年发表的文章“量子力学的现况”中写道:“如果在任何时刻经典态[位置和动量]不存在,它就几乎不可能因果地变化。”他的波动方程是符合因果决定论的,方程中的波函数完全随时间因果地变化。


      关于不确定关系的来源问题,玻尔与海森伯的想法有所不同,海森伯认为起源于粒子性和不连续性,并强调潜能性,而玻尔认为起源于态的定义与测量仪器的不可分割性,用时空描述和因果描述的互补性表达,不确定关系式是这种互补性的符号表示。他强调我们的认知不能超出感觉经验或现象,有不可知论的味道。波恩支持玻尔的观点,他在“关于因果和机遇的自然哲学”的第九章中写道:“不确定关系表达的事实当初是由诠释理论形式发现的。以后提出一个要求直观的解释,即自然规律本身不允许无限精确的测量,那是由于物质的原子结构:最精密的观测仪器是原子、光子或电子,因而与被观测的物体的大小同量级。尼尔斯·玻尔用这个概念极成功地说明了加在受不确定性规律制约的量的同时测量上的限制,他称它们为‘互补’量。”


      附带提一下,郭光灿和高山最近出版了一本书《爱因斯坦的幽灵—量子纠缠之谜》,其中谈到微观粒子位置和动量的不确定性:“我们只见过宏观物体的表观运动,它看起来是连续的。而那些无法用肉眼观察到的微观粒子的运动又是怎样的呢?还记得双缝实验吧,如果只有粒子本身而没有其它东西(如玻姆的信息场),它根本无法用连续运动的图象来解释。”“我们再次强调,物体没有速度可以保持以决定位置的变化。于是,自由物体真的“不知道”它该向哪个方向运动,从而只能以完全随机的方式运动。位置的随机的变化意味着不同时刻的位置之间是相互独立的。例如,物体于一个时刻处于空间中的一个位置,而在另一时刻它随机地出现在空间中的另一位置。这个位置很可能与原来的位置不相邻。因此,物体的轨迹将不是连续的,而是非连续的。由于位置的变化一直是随机的,物体的运动轨迹将是处处非连续的。这样,物体总是从一个位置直接运动到另一个位置而不经过中间位置。总之,自由物体的运动本质上是非连续的、随机的。...因此,上帝真的掷骰子。”还说:“如果电子的运动是非连续的,那么为了产生干涉图样它将会非连续地同时通过两条缝,而不是只通过一条缝。...即使在一条缝处发现了电子,我们也不能说电子就一定只经过这条缝;而且更糟糕的是,这种测量还将毁掉双缝干涉图样,从而测量结果很难反映电子的实际运动情况。”他们告诉我们,上帝真的掷骰子,而且告诉我们上帝是怎样掷骰子的。前面我们已经对双缝干涉现象做了解释,说明这种现象与粒子运动有精确轨道的概念并不矛盾,这样看来,称上帝真的掷骰子是没有道理的。


3.纠缠粒子的不确定关系式


      量子干涉被认为是神秘的,量子的纠缠更带神秘色彩。有一本2001年出版的书,艾克泽尔著,中译本名为《纠缠—物理世界第一谜》,反映现时流行的一种观点,其中写道:“在量子的稀奇古怪世界里,最使人困惑的现象是被称为纠缠的效应。甚至百万千万英里远离的两个粒子神秘地联在一起,其中之一不管发生什么事就会立刻使另一个粒子发生变化。”郭光灿院士考虑到“量子纠缠之谜是一个非常深刻的问题,是当前一个非常重要的研究领域,可以借此[出芦笛丛书]机会给所有对此感兴趣的人讲清楚什么是纠缠。”他和高山的大作《爱因斯坦的幽灵—量子纠缠之谜》中是这样描写量子纠缠的:“如果对其中的一个粒子进行测量,另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响,并发生相应的状态变化,无论它们相距多远。”天哪!恐怕对如此的纠缠关系无人能讲得清楚。


      我们要问,东乡的书记一感冒,西乡的乡长就打喷嚏,西乡的书记一感冒,东乡的乡长也打喷嚏,这种纠缠有谁能讲得清楚。这倒是能讲清楚的,答案极其简单,那就是,东乡的书记张三兼任了西乡的乡长,西乡的书记李四兼任了东乡的乡长。有人好比深信李四一感冒远方的张三就打喷嚏“确有其事”,并想把它向公众“讲清楚”道理,能讲得清楚吗。在量子世界里,两个纠缠粒子占据四个态,要纠缠只有像兼职那样集于一身的“兼态”方式,在逻辑上排除任何其它可能性,这应该是这个谜的唯一答案吧,小学生都知道4=2乘2。这个判断是纯逻辑的,无论在宏观世界还是微观世界,科学屈从逻辑。似乎这个答案太廉价,使人不放心,甚至坚决反对,他们相信已经有理论和实验证明隔空传物(teleportation)的可能性。 teleportation被中译为“量子力学隐形传态”,把隔空改为隐形,把传物改为传态,遮盖了它赤裸裸的巫术性。虽然该理论的数学公式只涉及量子态,但是把它直译隔空传物是忠于该理论的作者们的原意的。中国科技大学潘建伟明白他们的原意,说:“也许在某个世纪,真的能够传输人类本身,就像《星际旅行》中的科学幻想。”


      二粒子可能有特殊的关联行为是爱因斯坦等三人(EPR)在1935年发表的一篇论文中提出的。薛定谔读了该文后把这种行为起名为纠缠(Verschrankung,其中的a上要加两个点)。在德语中双手交叉在胸前称纠缠,我们就用类似的情景来了解纠缠的本性。拿宰的猪来比方,把猪的左右腿交叉,当中斩开,左蹄右肘装一包,叫包a,右蹄左肘装一包叫包b。包a北京自家煮着吃,包b快递给上海的老弟。如果混淆猪脚的左右编号和包的a,b编号,就会认为左脚下锅煮,右脚就瞬时“感应”到远方煮的影响也熟了,似乎发生了隔空感应影响。再一个极好的隐喻是,元朝管道升给夫君赵孟頫写的“我侬词”:“你侬我侬,忒煞多情。情多处,热似火。把一块泥,捻一个你,塑一个我。将咱们两个一齐打破。用水调和。再捏一个你,再塑一个我。我泥中有你,你泥中有我。与你生同一个衾,死同一个椁。”


      假如我们有许许多多这样的包a和包b,设一批包a有先后煮熟的和生的“左蹄”随机序列z1(熟),z2(生),z3(生),z4(熟),...。因是下锅一起煮的,当然同样有“右肘”序列y1(熟),y2(生),y3(生),y4(熟),...。如果混淆猪脚的左右编号和包的a,b编号,就以为“左脚”有随机序列z1(熟),z2(生),z3(生),z4(熟),...时,远方的“右脚”感应出了序列y1(熟),y2(生),y3(生),y4(熟),...。这不是可用来建立远距通信的牢不可破的密码协议吗,它来自纠缠,纠缠是自然规律,因此以为这种加密万无一失为自然规律所保证。这里讲这个隐喻,是为了告诉大家,目前用此法的所谓牢不可破的量子加密工程是荒唐的,是基于对量子纠缠本性的误解。


      顺便指出,一般,两个光子分别从半透半反镜各侧入射时,出射总有四个波(态),这四个波是独立传播的,其中不存在集于一体的“兼态”,所以凡是证明半透半反镜加符合计数探测能纠缠光子的理论和实验都是谬论和编造。利用这种方案制备的假光子纠缠肯定办不成任何真事,包括造量子计算机。这种方案也不能用来做贝尔基测量,凡以这种贝尔基测量作为关键实验路线得到的所谓成果均为虚假,尽管十余年来那些论文受国际顶级刊物青睐。


      现在我们用初包模型来解释量子纠缠:例如,一个紫外光子打在一个非线性晶体(例偏硼酸钡晶体)上,如果条件合适就变成两个红外光子,编号1和2,设想此时已发生了纠缠,即光子1的含峰片与光子2的不含峰片融合成一个光子,新编号a,光子2的含峰片与光子1的不含峰片融合成另一个光子,新编号b。这情景正好解释了一对纠缠粒子的态叠加的数学表示式,式中标的是光子的原编号1和2。这种纠缠的特点是不能再解开,像子女身上的父母基因不能再分开一样,只能逐代淡化。郭光灿和高山声称:“在微观世界中,粒子由于相互作用不断发生量子纠缠,而当这种作用延伸至宏观物体(如测量仪器)时,由于波函数坍缩过程的发生,即使最紧密的量子纠缠也将被解开。”这个说法无根据,因为不是任何二个物体间都会发生量子性纠缠,而且量子纠缠后不可能再解开,再说波函数坍缩也不是一种物理过程。实际上量子力学不描述从1,2到a,b的这种编号变化,这种变化应看作这纠缠制备过程的新结果。可做同样解释的再一例是氦原子中1s电子与2s电子的纠缠,这纠缠效应是一直不明物理真莫道不消魂相的交换能的来源,交换能的出现是因库伦作用的计算中保持了纠缠前的电子编号,这是量子力学形式体系的自洽性所决定的。在EPR论证中举例的一对纠缠粒子,情况类似,假如考虑到编号的变化,EPR佯谬不复存在。这个情景如果反映量子纠缠的真莫道不消魂相,那么,所谓纠缠粒子的隔空作用(非定域性)纯属子虚乌有,系混淆空实、颠倒远近的产物。因此对分离粒子a和b的p和x测量时,它们的均方根差应有下列关系式:


△x(a)△p(a)大于等于hbar/2,△x(b)△p(b)大于等于hbar/2,
△x(a)△x(b)=△p(a)△p(b)=△x(a)△p(b)=△x(b)△p(a)=0


      我们应当还有能量-时间和角动量-角变量不确定关系式。的确这些关系式隐含着原编号粒子1与2的成分的交叉不确定关系和定域关联,它们表示在粒子1(或2)的含峰片上的测量伴随着对粒子2(或1)的不含峰片的测量,这里的含峰片与不含峰片是融合在一起的,因而二者的关联是绝对定域的,可见所谓量子纠缠具有非定域性的论断出自对量子力学的原则性误解。


      玻尔在反驳EPR论证的文章中称他们(EPR)的实在性概念是含糊的,含糊在无任何扰动上,称虽无力学扰动,但不免有与测量条件相关的影响。他在这反驳文章的脚注中,对“相互作用或不作用”的一对粒子,写出对易关系:


[q(1),p(1)]=[q(2),p(2)]=ih/(2·pi),
[q(1),q(2)]=[p(1),p(2)]=[q(1),p(2)]=[q(2),p(1)]=0


这里的1,2在原文中是下标。我们知道这些式子对应下列关系式:


△q(1)△p(1)大于等于hbar/2, △q(2)△p(2)大于等于hbar/2,
△q(1)△q(2)=△p(1)△p(2)=△q(1)△p(2)=△q(2)△p(1)=0


      这些式子表示,对粒子1(或2)的q或p的测量不会使粒子2(或1)的状态发生变化,可见玻尔实质上并未否定爱因斯坦(或说EPR三人)提出的分离性原则,他只是由互补原理来捍卫量子力学的描述是完备的观点。那么纠缠行为又在哪里呢,好像玻尔泼洗澡水连孩子一起倒掉了。虽然EPR论证和玻尔的反驳都未切中对方的要害,但是EPR发现量子力学用于二粒子体系时在数学形式中可能出现一种特殊的关联,是一项非常重要的发现。不过他们以为这种关联与实在的概念矛盾,由此误认为这种矛盾起自量子力学描述的不完备,尽管它是不完备的。另一方面,玻尔发现EPR的实在概念是含糊的,含糊在无任何扰动上,他的这个意见包含着一份深奥真理,虽未知扰动之真莫道不消魂相。


      薛定谔在1935年发表的论文“量子力学的目前状况”中写道:“任何发生的“预半夜凉初透言的纠缠”显然只能归于这个事实,即这两个物体在较早的某个时候形成真实意义上的一个体系,而且二者已经留下各方的印记。”并说:“在分离体系上的测量不会直接彼此发生影响--那种影响是巫术。”他称纠缠是量子力学的特有品性,在几乎同时发表的另一篇文章“分离体系间几率关系的讨论”中开头写道:“如果我们由其各自的表示知道它们状态的两个体系,其间由于已知的力受到暂时的物理作用,而且如果这些体系相互影响一段时间以后再分开,那么它们不再能如前的同样方式描写,即不再能赋予它们各自的表示。我们不说有什么东西强迫量子力学完全背离经典思想路线,宁可说那是量子力学的特有品性。这两种表示[量子态]由于这相互作用已经变得纠缠起来。”虽然他把两个体系在纠缠时留下各方的印记的想法和含峰片与不含峰片的融合图象一致,但他也不知这种融合的纠缠真莫道不消魂相。


      上面指出的量子纠缠真莫道不消魂相和给出的纠缠粒子的不确定关系式可能遭到反对,这里我们不得不多一点罗嗦进行解释和辩护。在量子力学的数学形式体系中,对一对纠缠粒子,只见编号1和2,从1,2到a,b要当作一次制备来看待,这是认识量子纠缠真莫道不消魂相的关键。爱因斯坦在文章“自述”中表示“坚定不移地认为”:“体系S_2的实在状况与我们对那个在空间上同它分离的体系S_1所采取的行动无关。”这被称为分离性原则。除非被某些荒谬理论彻底洗了脑或十足被一些巫术性实验演示所迷惑,我们的智商还不至于低到连如此简单的真理--分离性原则--都不信,爱因斯坦说,分离就是无相互作用的同义语。不过,他同玻尔一样,未意识到发生纠缠时体系结构的变化和粒子编号的相应变化,在否定非定域影响的同时,还否定了纠缠中实际存在的那种不易发现的定域性关联,即含峰片与不含峰片的融合。现在的结论是,量子纠缠中非经典关联存在,但它是绝对定域的,不存在与相对论矛盾的问题。爱因斯坦认为量子力学对微观实体的描述不完备,现在看来,这种不完备性还包含这理论不描述粒子编号的变化,这一点才是认
识EPR佯谬的关键。另一方面,玻尔认为纠缠前后粒子状态的定义发生了变化,他在1939年发表的“原子物理中的因果性问题”文章中提到,爱因斯坦的“态”概念与量子力学中的态概念不同是EPR佯谬的来源,他写道:“事实上这个佯谬能在量子力学形式体系中找到圆满的解答,按照此体系,关于同这个物体曾接触过的分离的那个物体,没有“态”概念的任何明确使用被允许,直到涉及这个概念的定义的外部条件明确地被对这个从属物体的进一步适当控制所确定。”现在看来,玻尔的粒子状态的定义发生变化的思想与这种粒子编号的变化情况倒是一致的。前面说的,左蹄熟了,右肘也同时熟了,隐喻了量子纠缠的整体性和定域性,而包a的东西熟了,包b的东西不受隔空感应影响,隐喻了量子纠缠的分离性,玻尔的整体性思想与爱因斯坦的分离性思想在字面上好像是冲突的,实际上是相容的,因此,纠缠前后粒子编号变化的认知调和了他们的整体性与分离性思想的对立。记得玻姆不认为能利用量子的非定域性做信号超光速传递,不同于他的思想,贝尔的非定域性(即隔空鬼魅作用)思想和后来的发展,着实把量子信息科学引向歧途,吹得天花乱坠,成为蜂拥而上的淘金场所。好在玻尔从来不支持隔空鬼魅作用,在这大是大非关口爱因斯坦和玻尔的思想是一致的,要不然,被奉为宝贵物理资源的隔空鬼魅作用说不定会带来更大的祸害。


      尽管爱因斯坦和玻尔都否认量子力学的非定域性,也有许多支持者,但是目前情况有点不妙,代表一种思潮,日内瓦大学一位著名教授尼古拉·吉辛(N. Gisin)在向鬼魅作用呼万万岁:“我们有幸生活在物理学发现和探究大自然非定域特性的时代。与牛顿引力的非定域性相反,量子非定域性与我们永存。未来的科学史家们将把我们的时代描写为非定域性伟大发现的新纪元。” 非定域性是指相距无论多远的物体间的瞬时影响,这种影响无需通过媒质传递,不花丝毫时间,无任何东西能阻挡。爱因斯坦嘲笑它为隔空鬼魅作用,传心术式的影响,薛定谔称它为巫术。隔空传物理论的第一作者贝内特自己也称它像伏都(voodoo,通灵术)。居然,世上有一大批专家十余年来不顾旁人诸多质疑或反对,对隔空鬼魅作用顶礼膜拜,走火入魔地争先恐后编造阳性实验成果,置起码严谨性于脑后,自欺欺人,把量子信息科学引向歧途,并危及科学和文化思想。好在人们已经逐渐发现,他们称成就非凡是假,一事无成是真
。这类虚假成果在2009年已明显减少,史无前例的狂吹与瞎棒也有所降调,情况有好转迹象。借隔空鬼魅作用搞创新不会有任何效果是肯定的,及早迷途知返为好。不过拨乱反正有待时日,可能因成见太多、太深,积重难返。恐怕还会有非学术因素的影响,在斯坦福哲学百科全书中,有一个条目“玻姆力学”,其中写道“凡参与同行争论量子力学基础者,不管其见解如何,很可能同意托尔斯泰的这个说法:有些人把个人的结论,津津乐道向同僚讲解,趾高气扬对他人教导,根根花线编织人生锦缎,哪怕有最简单最明显的真理要迫使他们承认那些结论为伪,我知道多数人,包括能够轻易对付最最复杂问题的,皆难得接受那个真理。”


      至今,许多物理学家和哲学家相信,“名为贝尔不等式的数学关系式的实验违反敲响了量子力学中爱因斯坦的定域实在论思想的丧钟”和“1997年奥地利因斯布鲁克大学泽林格领佳节又重阳导的研究组首次实现了光子的隐形传态”,他们毫不怀疑隔空鬼魅作用的存在,甚至有许多专家竭力做实验给人们看,世界是多么鬼怪。现在可以说,量子是实在的,量子的纠缠是定域的,贝尔型不等式实验的违反正说明这类不等式本身属于杜撰,用来否定爱因斯坦的定域实在论思想是节外生枝,而且用它们对量子态是否纠缠的检验也毫无意义。贝内特等人依据对量子纠缠本质的错误理解提出的隔空传物理论,是混淆空实、颠倒远近的产物。他们的推导简单、清晰、数学上严格,问题出在物理含义的认识上。鉴于叠加态的成分中至多一个成分是非空的,仔细分析他们推演的公式中各项的空实性和远近性就不难做出上述结论。因此“量子隐形传态可用于大容量、原则上不可破译(万无一失)的保密通信,也是量子计算的基础”这种说法不可信。这里作者要说,隔空传物(态)理论是二十世纪最荒唐的理论,包括其最荒诞的演示,终将以反面教材载入科学史册。与此相关,这里要附带指出,郭光灿院士担纲撰写的科普大作《爱因斯坦的幽灵—量子纠缠之谜》恐怕会严重误导公众,有悖于芦笛曲丛书的出版宗旨。这套丛书肩负国家科技计划科普化的示范,不同于无足轻重的消遣读物,也不同于提供讨论的个人学术著作。


4.介观物体的不确定关系式


      对不确定关系式的理解,除了与对量子干涉和量子纠缠的理解有关外,再一个有关的大问题是,如何理解微观粒子行为到宏观物体行为的过渡。关于宏观现象与不确定关系式,我们先看曾谨言著的教科书《量子力学》里讲的:“在一般的宏观现象中,不确定度关系给不出什么有价值的东西,迄今,人们所做过的任何精确测量所得的△x与△p的乘积,都远比h的数量级大得多,所以在一般的宏观现象中,仍然不妨使用轨道运动等经典力学概念。...概括起来说,Heisenberg的不确定度关系给我们指出了使用经典粒子概念的一个限度,这个限度用Planck常数h来表征。当h->0时,量子力学将回到经典力学,或者说量子效应可以忽略。”下面我们要提出不同的看法。


      我们先讨论微观粒子行为到宏观物体行为过渡的机制。这个过渡问题关系到牛顿力学和量子力学各自的地位,关系到对微观世界和宏观世界的统一认识,而且直接关系到介观力学(纳米力学)的建立。现在只有处理微观粒子的量子力学和处理宏观物体的经典力学,尚无处理纳米粒子的力学。量子行为既然是那个样子,那么为什么宏观世界又是这个样子?这是继量子干涉和量子纠缠问题之后,又一团疑云和一个争论的战场。现在有一种流行的理论,外部环境的消相干(退相干)作用使物体展现经典状态,而不认为由于内因,即物体本身随其尺寸和质量增大过渡到经典状态。现在我们来做内因分析,不像万有引力场,已知物质波是可以屏蔽的,所以由原子组成的物体的外层作为库伦势垒必然会屏蔽内层原子的物质波,自内至外层层屏蔽,这样一来,物体在外部环境中自然只剩下极薄表面层的量子行为,而整个物体的平移运动和转动则自然服从经典力学规律了。通常认为,沙子也是量子性的,只因为它很重,德布罗意波长极短,所以它的小孔衍射斑点很小,衍射效应可以忽略。但是,如果考虑屏蔽效应,那么沙子已远不同于微观粒子,对于它的整体而言,衍射效应、干涉效应和隧道效应都几乎消失殆尽。因此,在微观到宏观的过渡区,原来的海森伯不确定关系式不再适用,其中的普朗克常数h应以ah代替,即量子力学的经典极限不是普朗克常数h趋于零,而是有效屏蔽参数a趋于零,这样处理既符合逻辑又符合事实。对于普朗克常数h趋于零是经典极限的命题,“常数趋于零”准会遭数学家的嗤笑,有许多物理学家却津津乐道,不过,认真的物理学家感到的是无奈或受鞭策去探究真莫道不消魂相。


      无严格定义,一般大于100纳米或50纳米的颗粒物体考虑为宏观物体,而粗糙地说不大于1纳米的物体为微观粒子,其间的称为介观物体或纳米粒子。为说明纳米粒子的行为,作为模型,我们考虑一个质量为M、半径为R的球形匀质纳米粒子,设表面有效屏蔽层的质量为m,厚度为w,有效屏蔽参数定义为a=m/M。用d表示密度,所以M=4·pi·R^3·d/3和M-m=4·pi·(R-w)^3·d/3。因此有


s=w/R=[M^(1/3)-(M-m)^(1/3)]/M^(1/3)
=1-(1-a)^(1/3),


a=m/M=1-(1-s)^3


      对于微观粒子,m=M,即a=1和s=1,对于宏观物体,m/M趋于0,即a趋于0和s趋于0。比如说对外界有量子行为的有效屏蔽层厚度为几个纳米,则纳米粒子的尺寸和质量愈大,它愈像经典粒子。纳米粒子的衍射效应,干涉效应、隧穿效应和其它一切量子效应都随a减小而减小。


      现在我们可以来讨论介观物体(纳米粒子)的不确定关系式。例如,一个纳米粒子正向通过宽度b的一个狭缝,设速度为v,这时屏蔽层的动量为mv,它对应德布罗意波lambda=h/mv。设探测屏离狭缝的距离为D,假如单从屏蔽层考虑,衍射斑点的尺寸为g~(lambda/bD=hD/mvb,但因总质量为M,斑点尺寸实际缩小到


g'~hD/Mvb=(m/M)hD/mvb=ahD/mvb=ag


所以,不失一般性,屏蔽层的效应相当于以ah代h。因此对介观物体,有不确定关系式


△x△p大于等于a·hbar/2,a=0(经典情形)至1(量子情形)


      我们照例有类似的能量-时间和角动量-角变量不确定关系式。从介观物体的不确定关系式看出,因对一定的缝宽b,△p是一定的,所以不确定量△x随a的减小而减小,对宏观物体,△x=0。经典力学中的质点模型是对初包峰外片的忽视,所以也不能认为经典力学对客观实在的描述是完备的,这种不完备性限制了它的适用范围,即经典力学只在波动性可以忽略的情况下完全有效。


      宏观物体的位置和动量的测量误差原则上不受海森伯不确定关系式限制反映经典极限a趋于0,而不是错误的极限h趋于0,因而量子力学中的WKB法也应做相应的修改,按h的幂级数展开应改为按a的幂级数展开,a小于等于1,避免了受h是常量和幂级数收敛问题的困扰。h是常量不是变量,那个显然不合逻辑的经典极限“h趋于0”表达普遍存在于教科书中和文献中。值得注意的是,玻尔不赞成这个h趋于0极限,据说1961年他在访美期间有一次在黑板上写出精细结构常数e^2/hc,在h下面划了三道说:“你们看,h是在这分母里。”。改称为这时“h可以忽略”也是搪塞之举,在无奈之下,也许只能如此。介观物体的不确定关系式表明,这类物体的粒子性和波动性可以在同一个实验中观察到。现在可以断言,认为外部环境引起消相干是宏观物体经典性展现的原因是错误的。还有,宏观的薛定谔猫,对整体而言波动性可以忽略,在任何情况下都不会处于半死半活的叠加态,也不会与其它物体发生任何量子纠缠关系。


5.不确定关系式与量子态的叠加性


      现在我们来考察不确定关系式在量子力学中的地位。先看它与量子态的叠加性的关系。例如,对一束自由电子,如果用一个小夹子,它像一个无限深的方势阱,夹住一个电子,假如在夹住之前,一个电子的动能正好等于这阱中基态的能量,那么它刚好落入这个基态,这个态的波函数可以表示为无数平面波的叠加。设势阱的宽度为a,如前计算得到的,这时动量的均方根差为△p=0.568·hbar/a。由此可以看出,这种不确定性是态叠加性的后果。


      一般而言,薛定谔波动方程的线性决定量子态的叠加性,而从一对正则共轭力学量A和B的对易矩阵[A,B]=AB-BA可以导出不确定关系式,所以叠加性和不确定性只是量子力学的两大特征,哪个也不是量子力学的基本概念。这两大特征可以归于微观粒子的波粒二象性,所以一般进一步认为波粒二象性是量子力学的基本概念。现在,从量子力学的潜波诠释和初包模型看,综合了波粒二象性的初包是量子力学更基本的概念,在这个意义上,量子理论包括形式理论和基础理论两部分,量子的形式理论--薛定谔方程或其等价理论--就是初包特征分量及其组成的波列(叠加态)的理论,而在一个叠加态中,至多有一个组分是非空态,代表初包的含峰片,其它的都是准空态,代表初包的不含峰片,不含峰片有干涉效应和在特殊情况下有纠缠效应,这是量子的基础理论。量子态的叠加性和不确定关系式都能从这基础理论得到解释。显然这个基础理论现在还是非常初步的,期待发展和检验。


      查看量子力学的著名教科书,狄拉克置叠加原理于不确定原理之先,而兰道和栗弗席兹则相反。狄拉克的《量子力学原理》的第1章标题就是“叠加原理”,第4节的标题是“叠加性与不确定性”。他写道“当在一给定态中的任一个原子体系上做一测量,结果一般不是确定的,也就是说,如果实验在全同条件下重复若干次,可以得到若干个不同结果。它是一个自然规律,纵使如果这实验重复许许多多次,各特殊结果将以总次数的一定比例得到,所以它有一定的被获得几率。这个几率就是理论从事计算的。只在特殊情形中,那时对某个结果的几率为1,实验结果才是确定的。”“然而,要紧的是记住,发生在量子力学中的叠加的性质根本不同于发生在经典理论中的任何叠加性,如这个事实所表明,即为了做合理的物理解释,量子力学叠加原理要求观察结果中的不决定性。”他在第4章“量子条件”中再讲“海森伯的不确定性原理”。


      兰道和栗弗席兹的《量子力学(非相对论性理论)》第1章的标题是“量子力学的基本概念”,其中第1节的标题就是“不确定性原理”,第2节的标题是“叠加原理”。他们先谈实验现象和不确定性原理,再谈理论和叠加原理,与狄拉克的思路次序正好相反。他们写道:“统辖原子现象的力学--量子力学或波动力学--必须建立在根本不同于经典力学的运动概念的基础上。在量子力学中没有像粒子路径这样的概念。这形成所谓的不确定性原理的内容,是量子力学的基本原理之一,为海森伯1927年所发现。”


      像不确定关系式一样,量子态的叠加性易于误解和误用,“量子态不可克隆定理”就是这二误造成的一例。1916年爱因斯坦的量子辐射理论证明辐射放大的可能性,按他的理论,上世纪中期发明了微波激射器和激光器。我们很清楚,各向同性的受激发射媒质中光子增益不依赖偏振方向,故只要准备充分条件,对处于任意方向偏振态的光子原则上都能克隆。然而,对任意态a|v>+b|h>,沃特斯和祖瑞克不顾态的拷贝本来就不是一种线性操作,认为按量子态叠加原理(用乘法分配律),拷贝的结果应为


☆(a|v>+b|h&gt ;) =☆a|v>+☆b|h>=aa|vv>+bb|hh>


这里☆是拷贝算符。但这与希望克隆出的结果


(a|v>+b|h&gt ;) (a|v>+b|h&gt ;) =aa|vv>+2ab|hv>+aa|hh>


矛盾,除非a或b等于0[或者a和b都等于0],从而他们做出结论,除水平偏振态(|h>)和垂直偏振态(|v>)之外,对任意偏振的单光子克隆是不可能的。他们的结论其实是自相矛盾的,因为,单从旋转对称性考虑,各向同性的光放大媒质如果能克隆水平偏振的光子,那么偏振旋转任意角度照样能克隆。我们注意到,所谓万无一失的量子加密是依据靠不住的“未知量子态不可克隆定理”,这个定理已导致许多研究组花大量财力人力去搞所谓牢不可破的量子加密工程。量子加密值得研究,但要说它牢不可破万无一失是量子力学原理所保证的,就吹大了,属空话和假话。


6.不确定关系式与波函数的几率诠释


      关于不确定关系式在量子力学中的地位,我们再看这种关系式与波函数的几率诠释的关系。紧接薛定谔波动方程的发现,波恩在研究电子与原子的碰撞时提出波函数的几率诠释。在他1926年发表的文章“关于碰撞的量子力学”中写道:“实际上我们有的不外乎一个“衍射问题”,其中一个入射的平面波在原子处被折射或散射。”对原子未受微扰时的本征函数(假定仅有一个分立谱),他计算得出由碰撞扰动造成的散射波在无限远处有渐近形式,于是他说:“如果我们把这个结果转换成粒子词汇,则只有一种诠释可能。Phi_{n_tau m}(alpha,beta,gamma)给出关于这电子的几率,它来自z方向,向着角alpha,beta,gamma表示的方向投射,并有位相变化delta。”对此他做了一个脚注:“校样中附加:更仔细的考虑指示这几率是比例于量Phi_{n_tau m}的平方。”这就是所谓的波恩几率诠释。这里用希腊字拼写代替字母,并用符号_表示接着的字符是下角码。因为波函数一般是复数,他所述的平方后来改为绝对值的平方或模的平方。


      问题是,波函数表示的几率性和不确定关系表示的不确定性,哪个更为根本。海森伯把不确定性视为根本,在“量子运动学和力学的直观内容”的摘要中写道:“不确定性是量子力学中统计关系出现的真正原因。”他在《物理学与哲学》的第3章中写道:“它[哥本哈根诠释]始于这个事实,即我们用经典物理的术语描述我们的实验,而同时始于这种认识,即这些概念不正确地适合自然界的情况,这两个出发点间的紧张关系是量子理论统计特性的根源。”波恩在《关于因果和机遇的自然哲学》的第9章中写道:“波是“实在”的东西,还是方便描写和预半夜凉初透言现象的一个函数,是一个口味问题。我个人喜欢,甚至在3N维空间中,把几率波看作是实在的东西,肯定不只是一种数学计算工具。”他还断言量子力学的“非决定论基础是永恒的”,它是“彻底统计的”。在第10章中写道:“我曾试图说明经典物理涉及不少难以克服的概念困难以及最后不得不把机遇融合到它的体系里。如果我们想要研究原子体系,我们这些凡人无论如何总得玩玩骰子。”由此看来,波恩似乎承认了不确定性是量子力学中统计关系出现的真正
原因。基于这种思想,哥本哈根学派就认为量子态能穷尽(最完备)描述个别物理体系,而视薛定谔波为几率波,或称几率幅。


      爱因斯坦不反对波函数的模的平方计算几率,反对的是几率波诠释,期望有一种实体模型作为根本。他在1933年的报告“关于理论物理学的方法”中说:“我仍然相信有一种实体的模型的可能性,即有一种理论能表示事物本身,而不仅仅表示它们出现的几率。另一方面,似乎是肯定的,我们必须放弃在理论模型中粒子完全集中的观点。在我看来这是海森伯不确定性原理的永恒结论。”爱因斯坦的好友波普尔反对用海森伯的不确定性原理解释波函数的几率诠释,他在1935年发表的《科学发现的逻辑》的第9章中写道:“在某些文章中,企图从测量的物理量能达到的精度受海森伯的不确定关系限制的这个事实来解释量子理论的统计诠释。...我认为不确定关系式与量子理论的统计诠释间关系的这个分析是不能接受的。在我看来,合乎逻辑的关系正好相反。原来我们可以从薛定谔的波动方程(这要做统计诠释)导出不确定关系式,而不是从不确定关系式导出前者。”


      前面所述的由潜波组成的初包模型完全不同于质点模型,在结构上放弃了粒子完全集中的观点,初包的特征分量成为量子力学形式理论的基本概念,于是显露出量子力学描述的不完备性、预半夜凉初透言的几率性和不确定关系式的共同根源。而“薛定谔波是几率波”则是一个未反映实在真莫道不消魂相的命题,它是从片面角度推论出来的,并不切合实际。从量子力学基础理论的初包模型看,不确定关系来源于初包峰外部分的效应,宏观体系包括测量仪器对这部分作用的随机性是量子力学所不能确切描述的。这样看来,一对不可对易的变量的不确定关系只是表示它们在同一量子态中各自统计分布的均方根差间的关系而已。


7.不确定关系式与微观粒子的实在性


      现在我们开始谈量子力学对传统哲学的冲击,首先是事物的实在性问题。关于实在的这个概念,在哲学中论调可多了,我们这里只谈与量子力学和不确定关系式相关的实在和实体的概念。量子力学很难学,是因为其中只见算符和波函数,缺乏具体实在的描述对象,不像牛顿力学中有一个质点模型。有的老师或许会告诉你,要是念念不忘实在的东西,那就难以学好量子力学。如果想象有粒子存在,那么它就既在这里,又在那里,捉摸不定。还会告诉你,曾暂短作用的一对粒子无限远离后还存在隔空鬼魅作用。他们自以为感悟真理而津津乐道,学生还是搞不明白,觉得认知的逻辑一片混乱,充满矛盾和神秘。不过我们还是可从爱因斯坦的名言找到安慰,他说:“整整五十年刻意苦思冥想没有使我更接近问题‘光量子是什么?’的解答。现今固然每个无赖都以为他知道答案,然而他在欺骗自己。”或者如费曼所言:“无人懂得量子力学。”不过他们会说,时代已经不同了,不能老拿作古的伟人的话来说事。关于微观粒子的实在性问题,海森伯在1927年的那篇文章的第3节中写道:“我相信我们能以这种方式有效地表述经典“轨道”的起源:只当我们观察“轨道”时轨道才创生出来。”这个观点被精辟化为教条:“观察创造实在。”他又在《物理学与哲学》的第3章中就双缝干涉现象写道:“现在,这是一个很奇怪的结果,因为它似乎表明在这事件中观察起了决定性作用,以及表明那实在性发生变化,依赖于我们是否观察它。”在第10章的末尾写道:“在原子事件的实验中,我们与事物和事实打交道,现象正如日常生活中的任何现象一样真实。但是原子和基本粒子本身就不是那样地真实;它们构成一个潜能性或可能性的世界,而不是一个事物或事实。”又在第11章中写道:“物质的实在的思想或许曾经是十九世纪的僵硬概念框架中的最牢固的部分,这种思想至少已经不得不结合新的经验加以修改。”


      现在我们要说,从量子力学的潜波诠释和初包模型看,在照相底板或荧光屏上显示的斑点或粒子探测计数器的咔咔声,都反映微观粒子的实在,那是在测量前存在的,测量中发现的,无需用波函数坍缩这种奇怪想法去桥接量子力学预半夜凉初透言的几率性与测量结果的确定性之间的概念鸿沟。不过这个说法可能会遭到强烈质疑,他们要问,一个初包是如何同时通过双缝的。从初包模型看,它有峰外部分,假定分割出来的峰外片还有效应,则就可以合乎逻辑地解释双缝干涉现象。含峰片与不含峰片有完全相同数目的组分,只是组分间的位相关系不同,则当含峰片与不含峰片分开通过双缝再度相遇时会让我们观察到干涉条纹就不足为奇了。因含峰片和不含峰片的特征分量(波函数)相同,波是对称通过双缝的,这样含峰片和不含峰片不对称通过双缝的事实被暗藏了,明修栈道,暗渡陈仓,我们成了被忽悠的当代项羽。还可能要问,在光驻波的节点上是否存在光子,按量子力学,驻波节点上的波函数psi=0,无疑在节点上发现粒子的几率为0,可是光子以约每秒30万公里通过节点也是不容怀疑的,玻姆曾向爱因斯坦写信问过如何解释这个佯谬,未获答复。从初包模型看,在驻波腔内,由于光子的自干涉,使节点上假定存在的原子不受作用,结果在那里把光子隐藏了起来,好像那里不存在光子似的,可见量子力学预半夜凉初透言的几率(波恩的操作性几率)一般不等于粒子的实在几率。这样说来,分离的峰外片也是独立的量子实体,为区别于含峰片那种携带动量和能量的实体,我们就称它为准实体。这里潜波的“潜”是指除初包的特征分量外其它分量都不出现在量子力学的形式体系中,不是指在测量中无表现为“潜”,相反,在测量中表现的全然是由潜波组成的含峰片的整体行为,因此说潜变量从未被观察到过是有眼不识泰山了,可见这里指称的潜波不是形而上学的思辨产物或文字游戏。


      这种准实体是否真的存在又是一个大问题。像上述的例证只有启发意义,还不能视作完全确凿的证据。我们必须去尝试用这样的准实体解释任何量子现象,如果遇不到一个矛盾,就会发现没有这种准实体存在就没有量子世界,那就有戏了,这种准实体真的在量子世界里表演主要角色。只要发现一个确凿的矛盾,那就足以否定它的存在。作者未能发现一个矛盾,所以就把它介绍给大家。如果初包真的反映量子的真莫道不消魂相,那么我们要说微观粒子的存在不依赖我们的观察,更不用说宏观的猫或月亮了,在箱子里的薛定谔猫不会半死半活和由观察者的一瞥决定死活。这里我们看到,不确定关系式与微观粒子的客观实在性并不矛盾。


      量子力学对人类物质文明的影响无与伦比,对人类思想的影响也很大,不过其影响不是我们终于认识到观察创造实在。如果哪里发现与传统的实在思想不符,那可以大胆猜测甚至咬定有一种陌生的实体在作祟。海森伯认为他提出的实在概念大大改变是理解量子力学的终结,他在《物理学与哲学》的第2章末写道:“应当强调,从最初的能量子存在思想到真正理解量子理论规律经历了四分之一个世纪。这表示在我们能够理解这种新的情况之前在基本概念上必须发生大大改变。”现在看来那不是终结,不如说是真正理解它的开始。的确,为理解量子力学,传统的实在和实体概念需要改变,由量子现象启示,经探索发现,至少需要补充初包的峰外片这种准实体,它以普朗克常数(作用量子)的面目崭露头角和填补了微粒跃迁过程中时空形式的空缺。因此,海森伯的天才发现不止量子力学和不确定关系式两项,还发现了我们的传统实在概念必须大大改变,这确是理解量子力学的关键,虽然他提倡的改变依赖于观察是没有道理的。量子势是玻姆独特和重要的发现,这也意味着传统的实在观念需要改变,现在看来,量子势也暗示峰外片这种准实体的存在。


8.不确定关系式与因果决定性


      量子力学对传统哲学的冲击,其次是针对决定论和因果律。关于决定论和因果律,我们这里只谈与量子力学和不确定关系式相关的因果决定性问题。海森伯在1927年那篇论文中写道:“但是在因果律的严格表述“当我们精确知道现在,我们就能够预见未来”中错的不是结论而是前提。甚至原则上我们不能知道现在的一切细则。因为被观察到的每件事情是多种可能性中的一个选择和在未来可能是什么上的一个限制。因为量子的统计特性是如此密切地与一切知觉的不精确性相联系,我们可能导致假设,在统计世界后面潜藏着一个因果性成立的“实在”世界。但是这种宏想在我们看来,明白地说,似乎是无结果的和无意义的。物理学只会描述观察的关系。我们能够以这种方式表达真实事态:因为所有实验遵从量子力学因而遵从等式(1)[p_1q_1~h],所以量子力学使因果决定性失败成为定论。”


      我们首先要质疑,在量子的几率性后面没有潜藏遵守因果决定性的“实在”世界的断言的根据不足。波恩在《关于因果和机遇的自然哲学》的第9章中也说过,“否认回到决定论的任何可能性是愚蠢和傲慢的”,虽然他相信“我们不能引入任何隐参数,借此能把非决定论的描述转变为决定论的描述”。还有,如果因量子力学本身的描述不完备,不接受一对正则共轭量的确定的初始条件,因而不能确定地预半夜凉初透言将来,只能预半夜凉初透言发生的几率,这种可能性也不能被排除,怎么能说因果决定性失败已成为定论呢。要断言因果决定性失败首先要肯定量子力学本身的描述是完备的,可是这是一个问题。现在从潜波诠释和初包模型看,如前面论证,海森伯不确定关系式与微观粒子本来具有精确的物理量的思想并不矛盾,这里的初包就是意味着在量子力学的几率性后面潜藏着遵守因果决定性的实在世界和隐参数(潜变量)。


      不像不确定关系式,波函数坍缩假设倒是真的违反因果决定论,否定这个假设才能恢复因果律的尊严。波函数坍缩假设最早见于海森伯的报告中,1927年9月在意大利科摩国际物理会议上,他说:“这个[电子]波包不仅空间中沿直线运动,而且随时间发散。对一个新的观察,这波包给出在被测位置找到这电子的几率。然而这个新观察本身使那波包减小到原来的大小Δq,它在全部可能性中做了一个选择,因此减小了未来的可能性。”1929年春,他在芝加哥大学授课中更详细讲到:“我们想象一个光子,它由麦克斯韦波组成的波包表示。因此它有一定的空间扩展,还有一定的频率范围。经半透镜反射,可以把它分成两部分,反射波包和透射波包。因而有一定的几率发现这个光子在被分割波包的某个部分或另一个部分中。在过了足够长时间之后,这两部分会离开任何想望之距离;现在如果实验获得这光子位于波包的反射部分的结果,那么在波包的另一部分找到这光子的几率立刻变为零。因此在反射波包位置的实验会对透射波包占据的远距离的点施加一种作用(波包坍缩),我们看到这作用以大于光速传播。”冯·诺依曼把波函数坍缩假设理论化,在他1932年出版的书《量子力学的数学基础》中提出,对体系某个力学量的测量将引起体系的态矢跳向该量本征矢组上的一个投影部分,发生的变化是不连续的,非因果的,瞬间的,而且这种变化在热力学上是不可逆的。他把波函数坍缩看作是物理事件。海森伯在1960年2月给任宁格(M. Renninger)的信中倒明确表示:“导致这态的坍缩的记录作用不是物理过程,宁可说是数学过程。随着我们的知识的突然改变,我们知识的数学表示当然也经历突然的改变。”从文献资料查看,玻尔倒从来不赞同波函数坍缩假设,在这点上与爱因斯坦的思想一致,要不然这个假设可能带来更严重的不良后果。


      既然用综合了波粒二象性的初包模型可以合理地解释量子现象,那么就不必要用波函数坍缩来解释测量有定值的结果。现在考虑前面海森伯讲的例子,如果一个初包的峰在半透镜上反射,则峰外部分的一半在连同反射,另一半透射。或者,初包的峰透过半透镜,则峰外部分的一半连同透过,另一半反射。初包的含峰片和不含峰片相遇时会发生干涉,如在马赫-曾德干涉仪中看到的。与海森伯所设想的情况不同,在这里,在测量发现那个粒子时不存在波函数坍缩。同理,在惠勒的延迟思想实验中,不存在将来会影响过去的后因前果怪事。


      海森伯想象一个光子“由麦克斯韦波组成的波包表示”是混淆了光子实体和电磁波包。初级波包(初包)与无限窄的次级波包(位置算符的本征函数)的性质根本不同,前者的峰位置和动量是确定的,后者的峰位置和动量满足不确定关系式,但因两种波包都有delta函数的形式,二者极易混淆。例如,当极弱光照射感光板后,上面出现的感光斑点似乎是麦克斯韦波坍缩到位置算符本征函数“尸体”留下的放大像,其实它是那初包(光子实体)“尸体”留下的放大像,波函数坍缩从未发生,因那个波只不过是初包的特征分量。因此粒子不是测量强迫一个波函数坍缩创造出来的,而是测量前已存在,测量中被发现的。可见,波函数坍缩假设起因于无限窄的次级波包和粒子实体的混淆,即起因于这种次级波包和初包的混淆,因此坍缩过程是一种幻觉,是臆造,是测量时的多余假设。


      海森伯和玻尔囿于沿用经典概念,从量子力学解释量子现象中发现了因果脱节。反之,如果如上所述那样引入新的概念,则可以认为量子力学反映一种新的因果联系纽带,一种躲过我们常识的实体,那就是初包的不含峰片这种准实体。虽然它们无形可见,无量可掂,却与含峰片一起在量子世界扮演所有角色,量子力学诠释问题和测量问题的答案可能全部就在这里。但是量子力学仅仅是含峰片和不含峰片的特征分量及其叠加态的理论,即薛定谔方程和狄拉克方程等波动理论或其等价理论,这决定了这些理论对量子实体的描述的不完备性和预半夜凉初透言的几率性。基于这种认识,我们断言海森伯不确定关系式不违反科学一贯遵守的因果决定论。所有科学分支领域都遵守因果决定论,量子力学也不例外。格林伯格说“量子力学是魔术(magic,或译巫术)”,这是出于对这理论的原则性误解。物理学符合因果决定论是爱因斯坦不渝的信仰,他的至理名言是:“上帝不玩掷骰子。”


      现在来看玻尔的互补原理,它关系到微观粒子行为的因果决定性。玻尔在1927年的科摩会议上提出时空描述和因果描述互补地诠释量子力学,不久,互补原理被认为是量子力学哥本哈根诠释的核心,很多人认为它是理解该理论所必需。他在这个会议的报告“量子假设和原子理论的新近发展”中提出了“互补性”观点,报告次年发表在《Nature》上。文章的第一节的标题为“量子假设和因果性。”文中写道:“承认经典物理概念用于原子现象的根本局限性,是量子理论的特征。如此产生的情况有特殊的性质,因为我们的实验资料的解释根本上基于经典概念。尽管量子理论表述中有因此涉及的困难,我们即将看到,似乎理论的本质可以用所谓的量子假设表达,这个假设赋予任何原子过程以本质上的不连续性,或更确切地说,个体性,它完全越出经典理论,而由普朗克作用量子表征。...现在,量子假设意味着,原子现象的任何观察涉及与观察机构不可忽视的相互作用,因此,通常物理意义上的独立实在性既不能赋予现象,也不能赋予观察机构。...一方面,一个物理体系的态的定义,如通常理解,要求排除一切
外部干扰。但是假使那样的话,按照量子假设,任何观测将不可能,而且时间和空间观念首先失去它们的直接意义。另一方面,如果为了使观测成为可能,我们容许这体系与不属于它的合适的测量机构的某些相互作用,则这体系的态的明确定义自然不再可能,而且不可能有通常意义上的因果性。就是量子理论这个性质,如此地迫使我们把联合描述经典理论的时空标示和因果性要求看作是这描述的互补而排斥的特性,它们分别表征观测和定义的理想化。”文中以光现象对互补性作了解释:“一方面,试图按量子假设追溯光的时空传播规律,我们离不开统计考虑。另一方面,为满足作用量子刻画的个别光过程的因果性要求,不得不放弃时空描述。理所当然,时空观念和因果性观念不可能完全独立地应用。光性质的这两种观点宁可认为那是对实验证据解释的不同企图,其中经典观念的局限性以互补方式表达。”至于海森伯不确定关系式,玻尔把它“看作是时空描述和因果性要求互补性质的简单符号表示”。


      互补原理的核心思想是所谓整体性。玻尔认为不可分性是整体特性的显示,他所谓的整体性是指其中的部分间存在不可能在观念上加以分析的联系。在1955年的“科学和知识的统一性”文中写道:“在经典物理学和量子物理学中现象分析的基本的区别在于,前者中测量对象和测量仪器之间的相互作用可以忽略或补偿,后者中这种作用构成现象整体的必要部分。正规的量子现象的本质整体性在这种情况下得到合乎逻辑的表达,即企图对现象进行任何明确定义的细分,要求实验装置有一个与现象本身面貌不能相容的变化。”玻尔在1961年的报告“索尔维会议和量子物理学的发展”中说:“爱因斯坦特别表示不愿意原则上放弃决定论的描述,他用一些暗示原子物体和测量仪器间相互作用更清晰考虑可能性的论据向我们挑战。...我们对此不指望可能性的回应未能说服爱因斯坦。”前面我们引入初包非含峰片对量子干涉和量子纠缠表现的整体性做了分析,说明整体各部分间存在的联系在观念上是可以加以分析的,因此量子现象的时空描述和因果描述根本不互相排斥。


      爱因斯坦和薛定谔都不赞同玻尔的互补原理,爱因斯坦在1928年5月给薛定谔的信中说:“海森伯-玻尔的抚慰哲学--或宗教?--是如此巧妙地编造,它向信徒临时提供使得他们不易被惊醒的软绵枕头。我们就让他们睡在那儿吧。”前面我们已经论证,微观粒子是具有客观实在性的,微观事件也不违反因果决定论,因此这里的结论是,玻尔的互补原理和海森伯对科学实在论和因果决定论的否定,是犯了大错,虽不无重要启发意义。


9.不确定关系式与普通语言


      与别的科学领域不同,在对量子力学的理解中,除了事物的实在性问题和因果决定性问题之外,还有一个语言问题。海森伯在《量子理论的物理原理》的导言中写道:“我们的语言竟然不能描述原子内发生的过程,那是不惊奇的,因为如已说过,它是被创造来描写日常生活经验的,而且这些经验仅由涉及非常大量原子的过程构成。再者,很难改变我们的语言使得它能够描述这些过程,因为话语只能描述我们能形成内心图象的事物,而且这能力也是日常经验的结果。幸好,数学不受这个限制,而且发明了一个数学体系--量子理论--它似乎完全足以处理原子过程;然而为了形象化,我们必须满足于两个不完善的拟似物--波动图象和粒子图象。”他又在《物理学和哲学》第3章的开头写道:“量子理论的哥本哈根诠释起自一个悖论。物理学中的任何实验,不管是关于日常现象,还是原子事件,都是用经典物理术语描写。经典物理的概念形成我们借以描述我们的实验装置的语言,以及借以陈述实验结果。我们不能够和不应当用其它概念代替这些概念。再者,这些概念的应用受不确定关系的限制。当用这些经典概念时,我们必须记住它们的这个有限范围,可是我们不能够和不应当试图去改进它们。”还在第10章中写道:“然而关于语言使用最困难的问题出现在量子理论里。这里我们初次没有把数学符号与普通语言概念关联起来的任何简单向导;而且我们从开始知道的只是这个事实,我们的通常概念不适用于原子的结构。”


      波恩和玻尔也深感语言问题之严重。波恩在《原子物理》中写道:“困难的终极源头在于这个事实(或哲学原理),当我们想要描述一种现象不是通过逻辑或数学分析,而求助于想象的图象,这时我们被强迫使用普通语言之词汇。普通语言由日常经验形成,从不超越这些界限。经典物理已经使自己限于使用这类概念;通过分析看得见的运动,它已经发展了由基元过程表示它们的两种方式:运动的粒子和波动。没有能给出运动图象表示的其它方式--我们不得不应用普通语言,甚至在原子领域,那里经典物理失效。”玻尔在1948年发表的文章“关于因果性和互补性的概念”中写道:“然而量子效应远远超出经典物理分析的范围,实验装置的说明和观察的记录总是必须用补充经典物理术语的普通语言表达。”


      我们记得,在十九世纪,电磁学曾带来实在概念的大大变革,从而补充了新的语言,像力线和场等。二十世纪初,相对论也一样,均无语言问题。但是量子力学的出现似乎带来语言限制危机,在海森伯、波恩和玻尔看来,在对量子现象的说明中使用语言的限制似乎是根本性的,这种限制体现在不确定关系式中,波函数的几率诠释中和互补原理中。然而,自量子力学创建至今,为求得与不确定关系式反映的事实及与其它事实达到一致,无论是把经典概念在某些情况下适当模糊化,还是玻尔的互补原理在某些情况下抛开时空描述或因果描述的一方,这样做事实上都未能从根本上消除由量子力学带来的种种佯谬、悖论和概念矛盾。看来,与此相关的语言问题不是关键,关键可能还是对客观实在真莫道不消魂相的认识。探索和补充新的实在概念或许能够一举消除所有矛盾。比如,像在本文中采用的,补充一系列新的概念和相应的语言--潜波、初级波包(初包)、初包峰、含峰片、不含峰片、峰外片、特征分量和次级波包等,像在电动力学和相对论中使用新增添的语言一样自然。老术语的含义可以有所变化以消除相关的冲突,例如,双缝干涉实验中的“粒子”应理解为初包,“波动”应理解为它的特征分量,经过如此修改的“粒子”和“波动”概念是完全相容的,因为干涉效应可解释为经过缝的含峰片与不含峰片的联合。这些新补充的语言用在对量子纠缠效应的解释上,也意外地合适,似一通百通,左右逢源,名正言顺。因此,对量子力学的诠释问题和测量问题长期得不到解决,源于对初包非含峰片这种准实体缺少意识,不是因为受了语言的限制。照例,在发现新的物理元素或新型实体之后,我们能跟着在普通语言中补充新的语言和修改老语言的含义以适应新的情况,在任何学术领域中都是如此,在量子物理中也不例外。对这个理论,我们原来缺失的是有关量子本质的意识,而不是有关量子的语言。这个理论在形式上用了经典物的语言,实际上它们的含义已经发生了变化。


10.海森伯证明不确定关系式中的错误


      直接密切关系到对不确定关系式的理解,乃至对量子力学的理解,现在我们来仔细检查海森伯当初借伽马射线显微镜和斯特恩-革拉赫实验装置证明这种关系式的思路和方法。他在论文“量子运动学和力学的直观内容”中写道:“例如,让我们照亮这个电子,在显微镜下观察它。那么,位置测量能达到的正确度受光的波长制约。然而,原则上我们能建立比如说一台伽马显微镜,正确度达到我们所要的高度,用它来测定[电子的]位置。在这个测量中,有一个重要特性,康普顿效应。对电子散射的光的每个观察依靠光电效应(在眼内,照相底板上,光电池中),因此也可以这样解释,一个光子碰撞这个电子,被反射或散射,然后被显微镜的透镜再折射和产生光电效应。在测定位置的时刻,即当光子被电子散射的瞬间,这电子的动量经历一个不连续的变化。所用的光的波长愈短,这变化愈大--也就是说,位置的测量愈正确。在电子位置已知的时刻,因而可以知道它的动量上至对应那个不连续变化的大小。因此,位置测得愈准确,此刻动量知道得愈不准确,反之亦然。在这个情况中,我们看到等式pq-qp=h/(2·pi·i)的一个直接物理诠释。设q_1为已知q值的精度(比如说,q_1是q的平均误差),因而这里q_1是这光的波长。设p_1为可以测定的p值的精度;也就是说,这里p_1是康普顿效应中p的不连续变化。于是,按康普顿效应的基本规律,q_1与p_1有关系式p_1·q_1~h。”这里海森伯把电子的位置不确定量q_1取作等于光的波长lambda,这等于说,他已选用伽马射线的波长短到相当于电子的位置不确定量,即预设了这电子的位置不确定量近似等于这显微镜的极限分辨尺寸。这样一来,他就把光子的不确定性,通过光子与电子碰撞的动量守恒关系,转嫁到电子上,而无关于电子本身是否有波动性。


      他在1930年出版的《量子理论的物理原理》中写得较为详细,把它概述如下。设伽马射线从左边(沿x轴)照射电子,从电子所在处到显微镜物镜的散射光束可以略示为V形,设它的夹角为2·theta,此时沿着V的右斜边和左斜边运动的光子的x方向动量与电子的x方向动量之和各为


(h/lambda)sin(theta)+p'=h/lambda,


-(h/lambda)sin(theta)+p"=h/lambda


所以有


p_1=p"-p'=(2h/lambda)sin(theta)


另一方面,显微镜的分辨极限为


q_1=(0.610·lambda)/sin(theta)~lambda/2sin(theta)


因此得


q_1·p_1~h


      显然,这种证明方式对普通显微镜观察细菌也适用,能同样推导出细菌的不确定关系式q_1·p_1~h。但是细菌是宏观物体,波动性可以忽略,原则上遵守△x△p=0。显微镜的分辨极限源于衍射效应,或者大致说源于不确定关系,这样,它作为仪器就具有天生的测量精度缺陷,而他的证明方式正是预设了这个缺陷的程度(lambda~q_1),然后借动量守恒关系把光子本身的不确定性转嫁到电子上。再说,在伽马显微镜下,射线中的一个波长不是对电子产生不可控制的真实物理扰动的范围,故对那个电子的动量不存在与这波长成反比的扰动。1969年兰姆(W. E. Lamb)在文章“非相对论性量子力学的操作诠释”中指出:“海森伯用来定性讨论他的不确定关系式的著名伽马射线显微镜未提供位置的测量,而是一个散射实验。”可见,他的证明的思路和方法是完全错误的,好在结果正确,这个结论也与玻尔的意见相同。海森伯在同一篇文章中对高斯型波包用狄拉克-约旦变换理论和傅里叶变换对不确定关系所做的例证是正确的。


      海森伯用斯特恩-革拉赫实验装置证明能量-时间不确定关系式的思路和方法也是完全错误的。他考虑原子束衍射的发散角近似为lambda/d,d是原子通过的狭缝的宽度,另一方面,假定磁场的偏转力最高允许值为f(即不大于会引起原子稳态间跃迁的力),认为偏转力做的功fd=E_1是能量测量的不确定量。因为在原子通过磁场区的时间间隔t_1内,它的横向的动量增加△p=ft_1=E_1·t_1/d,所以,按德布罗意关系式lambda=h/p,原子束的偏转角△p/p=E_1·t_1/(pd)=E_1·t_1·(lambda/(hd))。他认为这偏转角至少与衍射的发散角lambda/d同量级,即△p/p~lambda/d,因此得出E_1·t_1~h。仔细地看,从海森伯的上述考虑,有


h=lambda·p=lambda(p/△p)△p=lambda(p/△p)ft_1=lambda(p/d△p)E_1·t_1
=E_1(p/△p)·t_1(lambda/d)


      显然,如果认为fd=E_1和ft_1/p=△p/p,并取△p/p~lambda/d,就正好得到E_1·t_1~h。但是,t_1的值取决于磁场区长度和原子的速度,与fd无关,二者无互成反比的关系。或者说,在单缝衍射中,我们设动量不确定量为p_1,则有p_1/p~lambda/d,这个p_1纯由电子的波动性决定,与磁场偏转力f无关,所以p_1与△p=ft_1是两回事,不能取作同量级。他在《量子理论的物理原理》中,把上面的f改为f(m,F)-f(n,F),f(m,F)和f(n,F)各为处在态m和态n的原子所受的偏转力,它们是能量E(m,F)和E(n,F)对x的偏微商。他说这里的力场F不必是磁场,可以是电场或重力场。他把偏转角范围的关系变为:(f(m)-f(n))t_1/p大于等于lambda/d,思路和方法基本不变。可见,海森伯从这装置证明能量-时间不确定关系式的思路和方法也是完全错误的,属错(E_1=fd)上加错(△p/p~lambda/d)正好凑出一个正确结果。


      一种正确的实验证明法是,采用一定能量的微粒的束通过一定开启时间的快门,测量其能量谱(或频谱)分布的宽度。肯纳德在1928年发表的文章“关于海森伯不确定原理的注述”中写道:“这原理要求,这样的快门以仅能做统计预半夜凉初透言的方式改变电子的速率,如同通过这样的快门的光量子的频率照例必定经历的改变的方式一样,其改变与快门开启时通过的有限波列的傅里叶分解相对应。”


      我们知道,在科学史上,意义重大的结果,像这里所述的例子,来自创始人的天才猜测加人为凑合并不罕见,同样功不可没,同样受人崇敬。量子力学美妙无比和功丰绩伟,但不幸的是,在观念上带来一大堆矛盾、佯谬和悖论。拉比(I. I. Rabi)在玻尔诞辰百周年纪念大会上讲:“我觉得,我们还未得要领,下一代人,他们一旦找到那个要领,就会拍拍脑袋说,他们过去怎么会想不到呢?”


      总之:对海森伯不确定关系式的理解是理解量子力学的一个主要方面。本文论证,微观粒子本来同时具有位置和动量的精确值以及同地具有时间和能量的精确值,并说明这与海森伯不确定关系式不矛盾。文中讨论了量子纠缠的真莫道不消魂相,给出了纠缠粒子的不确定关系式,指出量子纠缠的本性不是非定域的。讨论了微观粒子行为到宏观物体行为过渡的真莫道不消魂相,给出了介观物体的不确定关系式,指出量子力学的经典极限是有效屏蔽参数趋于0,而不是普朗克常数趋于0。讨论了不确定关系式与量子态的叠加性的关系,指出这种不确定性是态叠加性的后果。讨论了不确定关系式与波函数几率诠释的关系,指出不确定性不是统计关系出现的真正原因,原因在于量子力学描述的不完备性和预半夜凉初透言的几率性。讨论了不确定关系式与微观粒子的实在性,指出这种关系式并不违反客观实在论。讨论了不确定关系式与因果决定性,指出这种关系式并不违反因果决定论。还讨论了不确定关系式与普通语言,指出在量子物理中缺失的是有关量子本质的意识,而不是有关量子的语言。还论证海森伯借伽马射线显微镜和斯特恩-革拉赫实验装置证明不确定关系式的思路和方法都是错误的,好在结果正确。文中还附带评论郭光灿院士担纲撰写的科普大作《爱因斯坦的幽灵—量子纠缠之谜》,指出恐怕此书会严重误导公众,有悖于芦笛曲丛书的出版宗旨。


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(王国文,北京大学物理学院,2010年5月1日)

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