消除相对论与量子力学深层矛盾的新思路，本文主要内容关键词为：量子力学论文,相对论论文,新思路论文,矛盾论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N031文献标识码：A文章编号：1003-5680(2005)01-0030-03
一 相对论与量子力学中的决定论与非决定论、定域性与非定域性矛盾
量子力学与相对论是20世纪物理学的两大台柱，它们对科学技术发展的贡献是无与伦比的。但是，相对论和量子力学理论深层次上却存在深刻的尖锐矛盾。这就是决定论与非决定论、定域性与非定域性矛盾。
众所周知，牛顿力学是质点力学。所谓质点，就是当我们讨论的问题与物体的“形状”相比，“形”对讨论的问题的影响可以忽略不计时，物体就可抽象成一个几何点，这个几何点就是质点。质点具有客体所具有的一切力学属性。质点在运动中与时空中的几何点重合，因此，经典力学中，包括相对论在内，质点具有完全确定的能量、动量、位置和运动时间。物体在时空中运动，就是质点在时空中的运动，具有确定的运动轨迹，通过运动方程，我们可确定地预言客体任何时刻的运动状态，这就是人们常说的经典力学及相对论的决定论。
量子力学与相对论不同，量子力学描述的是微观客体的波粒二象性，在正统学派那里物质波是概率波。为了解释微观粒子通过云室具有确定的径迹的实验事实，而又不与玻恩的几率波解释相矛盾，海森伯提出微观客体具有位置和动量的不可确定性，并用测不准关系式：△P·△x=h作了定量的数学描述。测不准关系指出，对于微观客体，动量确定了（△P=0），位置就完全不能确定（△x=∞），位置确定了（△x=0），动量就完全不能确定（△P=∞）。在微观世界，任何客体的动量和位置是不能同时确定的，其不确定度就由△P·△x=h来判定。对于哥本哈根学派来说，微观客体本质上的不确定性，是测不准关系的一个直接推论，而微观客体的不可确定性，又为哥本哈根几率解释奠定了哲学基础。
微观客体的动量和位置、能量和时间是不确定的，当我们把微观客体也按宏观思维方式抽象成质点时，这个质点也就具有了动量和位置，时间和能量的不确定性，这样对微观客体就谈不上运动轨迹，我们也无法确定地预言其运动状态，我们知道的仅是状态的概率演化。
这就是人们常说的量子力学中的不确定性属性，它与相对论是直接对立的。
相对论与量子力学另一尖锐对立是所谓定域性和非定域性矛盾。所谓定域性，就是信息传播的速度是有限的，相对论规定其上限是光速。这就是常说的光速极限。但在量子力学中却没有光速极限的限制。物质波的相速可以超过光速，这是德布罗意早年就严格证明了的；量子测量中，更是有无穷大通讯速度在量子态中间发生联系。量子力学与相对论谁是谁非，百年来人们进行了激烈的争论，至今仍无一个令人信服的结论。争论还在继续中。量子力学曲率解释提供了一个新的认识进路，有可能为消除相对论与量子力学的尖锐矛盾带来曙光。
二 测不准关系的实在论诠释
量子力学曲率解释中，我们已经证明过，物质波描述的本质上是通过电磁作用建构的微观客体“形”的变化规律，是曲率波而非几率波。在微观世界，对客体的认识已经不能像宏观世界那样严格地区分实体与虚空，我们对微观客体运动规律的认识，只能从其分布的空间拓朴性质来鉴别，这就是空间的曲率。曲率的大小表示粒子性，曲率的变化表示波动性。测不准关系是对微观客体“形”的限制，也就是对曲率变化的限制。△P·△x=h，表示动量的变化产生的力，给出相应空间形象的变化，而两个变化之积大于等于h。△x则是通过实验观察，为微观客体建构的“球”半径。R=1/（△x）正是球面曲率。任何波函数都可以从其振幅中分离出这一曲率因子。不过，它是表现的建构，不能看作电子的真实大小[1]。
量子力学曲率解释与量子力学几率解释是可以相互转换的。物理学家朗道就认为测不准关系可以推广到相对论力学中的单个物理量[2]，在相对粒子静止的坐标系中，坐标的不确定量是
，动量的不确定量是
，△x是康普顿物质波波长除以2π，它等于以波长λ为圆周的圆的半径，其数量级刚好等于实验测得的粒子（中子、质子、电子等）的球半径。若对静粒子进行质点抽象，那么，
就是“点”电子等可能存在的范围，“点”电子就有了位置的不可确定性。可见，电子等微观客体的不确定性，是对微观客体做质点抽象时赋予微观粒子的，其不确定量就是△x。
对海森伯证明测不准关系式的光——电子对撞实验作深入分析，同样可以得出：海氏的位置不确定量△x亦是点粒子活动范围的结论。电子不是质点，测量中要是非质点的光于碰上了非质点的电子，不管碰上电子的哪一部分，电子总是被测到的，并记录一个电子存在的位置。但每一次测量都不能说是电子的准确位置，电子的位置遍布于电子自身空间形象之中。电子自身的空间形象才是产生位置不确定量△x的根源。不过，△x不是微观客体的真实大小，而是电子“真身”（自在实体）在四维时空中三维空间方向上的影象分布区域。这个“影象”区域，就是我们通过实验由电磁作用为微观客体建构的“形”。这个“形”的球半径△x，符合测不准关系△P·△x=n，△x也是电子波的波长除以2π。电子波的波长是可变的，因此，微观客体的“形”与宏观客体的“形”有根本的区别，具有明显的可变性。如果把微观客体抽象成质点，质点只能分布在其形内。“形”的大小直接与在“形”内找到点粒子的概率可发生联系。“形”大，形内找到的概率小，“形”小，形内找到的概率大。“形”等于零（几何点），找到的概率就是100%，“形”“无穷大”找到的概率就等于零[3]。
在原子中，由于电子在不同能级上位置不确定量
不同，因而不确定性也不同，也就是在不同能级上电子出现的概率不同。原子的半径由
量度（
是玻尔半径），由电磁作用建构的电子“球体”的半径是
，两者之比相差n倍。n=1，在基态，电子和原子一样大。因此，在讨论原子问题时，当把电子抽象成质点时，就与经典力学对宏观物体作质点抽象时完全不同，对微观客体作质点抽象，粒子自身的“大小”（建构的形象）不可忽略不计，理论上将粒子的“几何形象”，变成了点粒子所具有的新属性——不可确定性。量子力学的非决定论，本质上是由决定论脱胎而来的。实际上，原子中当n→∞时，“形”对讨论的问题的影响就可忽略不计，这时，相互作用由不连续变成连续，h→0，电子的运动就可以按宏观质点抽象来处理，量子论即可转化成经典电子论。
三 相对论与量子力学深层矛盾的消除
看来，微观客体的不可确定性并不是上帝赋予的天生本性，而是通过实验现象，对微观客体作理论抽象时，理论赋予的。宏观世界的确定性和微观世界的不确定性，通过测不准关系的实在论解释是可以架起沟通的桥梁的，而且最终将统一在实在论的旗帜之下。这就是量子力学曲率解释解决决定论与非决定论矛盾的思想途径。
相对论与量子力学之间定域性与非定域性矛盾，量子力学曲率解释是通过认识微观世界的非连续作用和提出时空盲区概念加以解决的。
我们知道，宏观世界的作用机制是连续的，具体体现为能量可连续变化，作用机制的连续性，决定了描述宏观客体运动状态的确定性和唯一性。而微观世界作用机制是非连续的、间断的，具体体现为能量的非连续变化。作用的非连续性，决定了微观客体因相互怍用表现出的空间几何“形态”在能级间的变化是非连续性的、突变的。时空间断了——时空盲区地存在，为量子力学建立态的正交性和信息的突变性提供了力学基础。可见，量子力学中一个纯的量子态必须由非连续作用机制来制备（h≠0），否则，其正交归一性和突变性就要受到破坏，就不能构成量子力学所要求的力学状态。如果一个非连续作用受到了连续作用的参与(h=0)，由于纯量子态被破坏，客阵“形”的“离散突变性”也就向连续的旋转式的“局域形”过渡，即由“离散突变的形”向“局域性连续的形（旋转形）”过渡。数学上表现为由“态”建立的坐标轴，由正交向非正交过渡；物理上表现为时空盲区的消失，态的变化由突变变为连续变化，信息的传播也由突变变成了连续局域的变化。
相对论与量子力学的矛盾，作为实例，突出表现在薛定谔猫论和爱因斯坦EPR悖论上，现在我们可以根据新的认识进路，对其作出合理的解释。
薛定谔猫的形成，主要是在同一装置中混淆了两种作用机制描述的对象，在原子衰变的过程中无疑建立的是标准的量子态，它具有态的叠加性，那是衰变中非连续作用造成的。但在薛定谔猫的实验装置中，锤的运动、瓶的破碎、猫的死活都是宏观连续作用(h=0)渐变机制的产物，锤的运动前后，瓶的破与好，猫的死与活，物理作用机制上都不能突变，不具备形成纯量子态条件，因此，至少物理上，宏观的态不能与微观的态在一起混合运算。微观作用机制（h≠0）可形成不死不活的猫态，而宏观作用机制则不能，把两个作用机制完全不同的事物放在一起，将微观非连续作用方程的解，强加给宏观连续作用的方程，当然要引起与日常经验相悖的谬误。当今，利用光的偏振性设计量子密码，正是纯量子态的应用。
对EPR悖论，我们的解读也是有趣的和令人信服的。
EPR假想实验考虑了如下过程：两个粒子A和B在某个时刻通过相互作用形成复合粒子，后来彼此分开不再存在相互作用，形成了一个复合粒子的相关体系。现在我们要问：根据EPR论证所设计的这样一个理想实验，在相互作用中能制备出符合量子力学要求的彼此分开的正交归一的“态”函数吗？
结论是：不能。
如果A和B之间是电磁作用，而且是一个光子一个光子的非连续电磁作用，则A和B可以形成正交归一的量子态，叠加态是存在的，但要它们分开不再有电磁作用，分开A、B的速度就必须超过光速，根据相对论，这是不可能的。爱因斯坦用自己的理论否定了实验装置成立的可能性。如果A和B之间不是电磁作用，比如碰撞之类。碰撞之后，机械力是不存在，但碰撞是连续作用，它不可能制备出符合量子力学要求的正交归一的量子态，连续作用产生的在时空系列中客体的“前后”“状态”不具有可叠加性，叠加态不存在。没有叠加态的实验装置不是EPR论证所要的实验装置，即使用只有一个光子的电磁作用来实现爱因斯坦的理想实验，但由于测量过程中连续作用的介入，纯量子态必将遭到破坏，A、B之间也不存在相同的力学分析基础。总之，如果了解了微观作用机制和宏观作用机制在建立客体“态”的问题上的根本区别，爱因斯坦理想实验装置就根本无法建立。
由此，建立在量子叠加态基础上所做的一切EPR悖论的分析工作，当然就不复存在，是宏观态与量子态的混淆将人们带进了EPR迷雾。
玻姆设想的复合粒子的相关体系是由两个电子
组成的总自旋为零的“单态”。这两个电子分开后朝相反的方向飞出。玻姆的实验装置能逃脱前面揭示的矛盾而成立吗？显然不能。如果考虑两个电子之间的相互作用是量子化的电磁作用，要使两个电子没有电磁作用，分开电子的速度就要大于光速，这当然不可能；如果考虑两电子之间的作用是机械的连续作用，分开后它们显然再也没有作用，但这种作用制备的状态不是量子态，不存在态的叠加，对量子态的一切分析基础不复存在。宏观运动的左旋和右旋两种状态，突变只能是观念上的。如果进行力学分拆，两种状态的转变之间一定具有连续作用机制存在，因此，量子态不能等同宏观的左旋和右旋状态，实际的物理作用不能与观念上的突变混为一谈。我们不能利用数学的便捷，将不同性质的事物结合在一起，引起认识上的混乱。过去我们之所以在多粒子量子态上纠缠不清，关键是对宏、微观作用机制的区别及它们与量子态的关系关注不够。
对EPR论证和薛定谔猫的分析，将直接帮助我们理解量子测量中仪器干扰问题的本质。现在我们看到，所谓仪器的干扰，就是微观客体与仪器之间连续作用的介入。连续作用的介入，破坏了非连续作用的正交归一的量子态，系统从微观作用机制进入宏观作用机制，不可逆的测量过程就产生了。很明显，当相互作用机制由微观不连续向宏观连续过渡时，我们对客体态的描述，也由对其时空中“形”的描述，转而对其时空中宏观质点轨迹的描述。客体的“状态”由微观变化的“形”向宏观质点收缩，并表现出有确定落点的过程，是一个由线性（非连续作用）向非线性（连续作用）过渡的过程。这正是Penrose的u过程向R过程过渡的物理实质。应该说，这正是当今大多数物理学家要表达的思想[4]。
量子力学曲率解释，有可能为消除相对论与量子力学之间的深层矛盾提供契机。
【收稿日期】2004-03-08
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