物理规律定域性，
域就是保守场，问题是边界如何定性定量
爱的保守场本质上还是牛顿的，类时空还出不料光范围，保守场边界条件可以是数学的，不仅是几何的
关于定域性原理的另一判决性实验
谭天荣
青岛大学 物理系青岛 266071
ttr359@126.com
内容提要：法国物理学家G.洛查克已经指出：贝尔不等式来自经典概率论，因此，上世纪关于贝尔不等式的实验，只不过再一次显示量子力学概率不同于经典概率，与定域性原理无关。本文提出一个判定量子力学中的“远程相互作用”观念与相对论的“定域性原理”孰是孰非的新实验。
考虑一个连续地发射成对电子的电子源，让每一对电子都精确地朝相反的方向运行，从而形成相向运动的两个电子束。现在，让这两束电子各自经历一个双缝衍射过程，使得其中的一束的电子通过某一条缝当且仅当其配偶通过对应的缝，让右边的双缝同时打开而左边的双缝轮流打开，则从左边的双缝衍射实验我们能间接地知道右边的每一个电子经过的是哪一条缝。按照定域性原理，右边的双缝衍射实验的干涉条纹不会消失，而按照量子力学，则会消失。
我预言这一实验将取得有利于定域性原理的结果。
关键词：贝尔不等式；经典概率论；定域性原理；G.洛查克；双缝衍射过程
1. 引言
大家知道，量子力学中的“远程相互作用”观念与相对论的“定域性原理”相矛盾，而上世纪爱因斯坦与玻尔关于“EPR关联”的一场“世纪之争”正是围绕这一矛盾展开的。到了60年代，贝尔用他提出的“贝尔不等式”表现“定域性原理”，并证明这一不等式与量子力学的“自旋相关公式”不能同时成立，从而提出一个判决性实验，将这场“世纪之争”孰是孰非诉诸实验。实验的结果是量子力学的“自旋相关公式”成立而“贝尔不等式”不成立。虽然人们对于这一实验结果是否表明“定域性原理”不适用于微观世界的意见还有分歧，但总的趋势是人们相信在这场“世纪之争”中，坚持量子力学的玻尔战胜了坚持定域性原理的爱因斯坦。
上世纪70年代，法国物理学家G. 洛查克[1,2]证明，“贝尔不等式”其实只不过是经典概率论的一个结论，与“定域性原理”无关。虽然这一结论并未受到应有的重视，但它实际上已经证明，当年关于“贝尔不等式”的实验并没有判定关于“世纪之争”谁胜谁负的问题。
本文提出另一关于“EPR关联”的“世纪之争”的判决性实验。
2. 量子退相干
美国著名的物理学家费曼断言：“双缝衍射实验包括了量子力学中的唯一的奥秘。”而双缝衍射实验令人困惑之处在于，实验没有出现人们期望的结果：
A. 双缝同时打开时的衍射图形，是双缝轮流打开时的两个衍射图形的迭加。
为了说明命题A不成立这一出人意外的实验事实，人们提出了“量子退相干”的理论。关于这一理论，费曼在《费曼物理学讲义III》一书中曾经构思了如下理想实验：如果在电子的双缝衍射实验中加上一个光源，放置在第一块隔板的后面的两条窄缝之间，使我们“看得见”每一个通过电子到底通过的是第一条缝还是第二条缝，则屏上的衍射图形就失去干涉条纹。如果移去光源，则又会重新出现干涉条纹。一般地说，所谓“量子退相干”就是指由于“观测”而导致的相干性消失的现象。
“量子退相干”原是为了说明命题A不成立而提出的一种“假说”，但哥本哈根学派的大师们立刻兴趣盎然地把它作为一种“效应”来解释。
波尔的“互补原理”对“量子退相干”作了如下解释：微观物体的运动具有粒子与波的双重属性，但在同一实验中二者是相互排斥的。在电子的双缝衍射实验中，测量粒子通过哪一条缝强调了电子的粒子属性，与粒子性互补的波动性便被排除了，从而导致干涉条纹的消失。
海森堡则用他的“测不准关系”对“量子退相干”作了如下解释：根据测不准关系，准确知道某一电子垂直于路径方向的位置，意味着不能准确知道该电子垂直于路径方向的动量，从而造成屏上干涉条纹的消失。
根据海森堡的上述观点，费曼把测不准关系表成：
B. 不可能设计出一种仪器，它能在双缝衍射实验中确定电子到底是经过哪一条缝，而同时又不扰动干涉图案。
费曼还说：“测不准原理以这种方式‘保护’着量子力学，……量子力学就以这样的冒险而又准确的方式继续存在着”。
那么，“量子测量”是怎样导致“退相干效应”的呢？量子物理学家们对这一问题的有分歧，他们的解释可大致分成两种类型。
在《量子力学的数学基础》一书中，冯·诺伊曼提出了或许是最早的测量理论，其中有一个命题
C. 观察者在测量终结时看到仪器指针的读数，是导致被测量的对象从不确定状态过渡到确定状态的决定性因素。因此，如果不提到人类意识，就不可能表述一个完备的、前后一贯的量子力学的“测量理论”。
按照这一命题，“主观的介入”乃是量子退相干的根本原因，换句话说，量子相干性消失，归根结底是由于“人眼的一瞥”。
德国物理学家吉·路德维希则持的相反的观点，他拒绝“感觉”、“知识”和“意识”等用语出现在物理学中，并且把宏观仪器看成一个处于热力学亚稳态的宏观系统，把测量理解为宏观仪器受到微观系统的扰动向热力学稳态演化。因此，测量不再是“客体与主体之间的一个不可分的链环”，而是一个“微观系统与一个宏观系统之间的一个不可分的链环”。
意大利物理学家丹内里、朗格和普洛斯佩里在路德维希的工作的基础上建立了一种精致的测量理论，简称为D-L-P理论。按照这种理论，测量之所以导致量子态相干性的消失，是被观测的微观系统自身经历的一个具有“各态历经”特征的过程，并不需要“人眼的一瞥”。
在路德维希的工作的基础上建立另一种的测量理论是“退相干理论”，它把测量过程中量子态相干性的消失理解为由于“量子纠缠”而导致的一个动力学过程，即使观察者不在场也照样发生，其中仪器只不过起着“记录”的作用。
那么，能不能用实验来判定上述各种观点孰是孰非呢？
让我们回到费曼的关于“观察电子”导致干涉条纹消失的理想实验。在这个实验中，我们满可以只放置上光源却不观察电子，如果实验的结果仍然出现干涉条纹，则测量过程要求“主观的介入”，如果不再出现干涉条纹，则测量过程不要求“主观的介入”。这是一个理想的判决性实验。
费曼本人没有对这一问题给出确切的回答。他一方面说：“也许这是由于点上光源而把事情搞乱了？……我们知道，光的电场作用在电荷上时会对电荷施加一个作用力。所以也许我们应当预期运动要发生改变。不管怎样，光对电子有很大的影响。在试图跟踪电子时，我们改变了它的运动。也就是说，光对电子的反冲足以改变其运动，……这就是为什么我们不再看到波状干涉效应的原因。”按照这种作用机制，只要点上光源，不论我们观察不观察电子，干涉条纹都会消失。可另一方面，费曼又说：“当我们观察电子时，它们在屏上的分布没有干涉条纹；当我们不观察电子时，它们在屏上的分布有干涉条纹。”照这么说，即使点上光源，只要我们不观察电子，干涉条纹就不会消失。
尽管如此，费曼的自相矛盾的回答并不妨碍我们借助于费曼的理想实验来判断路德维希的观点与冯·诺伊曼的观点孰是孰非，真正的困难在于如下事实：电子太小，我们不能在光的照耀下跟踪它。因此，还须作一些技术上的改进，费曼的这个理想实验才能实现。在这里，我提出一个建议。
3. 一个新的判决性实验
考虑一个连续地发射成对电子的电子源，让每一对电子都精确地朝相反的方向运行，从而形成相向运动的两个电子束R与R’。现在，让R中的电子通过一个开有双缝的隔板L，落在某一可以探测电子位置的屏上。同时，又让R’中的电子飞向一个与L极对称的另一隔板L’。这个隔板只有一条缝S，而且当且仅当某一电子e越过L的第一条缝时，它在R’中的配偶e’会越过缝S。这样，从e’是否越过缝S我们就间接地知道e通过的是L的哪一条缝。下面，我们把这个实验记作T。
对于电子束R，实验T是一个双缝衍射实验。让L上的双缝同时打开，如果观察者跟踪R’的每一个电子，看它是否通过缝S，则观察者就间接地知道电子束R的每一个电子经过的是哪一条缝，从而命题B要求：
D. 如果观察者跟踪R’的电子，则干涉条纹将消失。
那么，如果实验条件不变，只是观察者不再跟踪R’的电子，干涉条纹会不会消失呢？
按照命题C，由于没有观察者的跟踪，对R’的电子的测量就少了“人眼的一瞥”这一决定性的最终环节。在这种残缺不全的测量过程中，该电子不会从“不确定状态”过渡到“确定状态”，从而屏上的干涉条纹不会消失。因此，按照冯·诺伊曼的意见，实验T的结果将是：
E. 只有观察者跟踪R’的电子，干涉条纹才会消失；如果观察者不跟踪R’的电子，干涉条纹就不会消失。
而按照路德维希的意见，R在屏上的干涉条纹会不会消失，只与客观的实验条件有关，与观察者是否知道R’的电子的行为无关。于是从命题D得出结论：
F. 不论观察者跟踪不跟踪R’的电子，干涉条纹都会消失。
这是D-L-P理论与“退相干理论”的所期待的结论。
无论实验T出现结果E还是出现结果F，命题D都成立，即：如果观察者跟踪R’的电子，则干涉条纹将消失。而干涉条纹的消失，则起源于对电子束R’中的电子的观测，只不过对于不同的测量理论，被观测的电子将经历不同的过程。对于冯·诺伊曼测量理论来说，它是最终由于“人眼的一瞥”而导致的一个从不确定状态过渡到确定状态的过程；对于D-L-P测量理论来说，它是由于被观测的电子自身的“各态历经”而导致的一个统计力学过程；对于“退相干理论”来说，它是由于“量子纠缠”而导致的一个动力学过程。
如果命题D成立，则从实验T可以知道到底是冯·诺伊曼测量观点正确还是路德维希的观点正确，但不能判定D-L-P理论与“退相干理论”孰是孰非。
另一方面，命题D要求R’的电子与其R中的配偶有某种“非定域关联”，因此，按照爱因斯坦的定域性原理，命题D不成立，即：
G. 不论观察者跟踪不跟踪R’的电子，干涉条纹都不会消失。
如果实验果真出现这样的结果，则从实验T可以在一个双缝衍射实验中确定电子到底是经过哪一条缝，而同时又不扰动干涉图案，从而命题B不再成立。按照费曼的意见，量子力学的大厦将会因此而倒塌。
由此可见，实验T可以取代上世纪关于贝尔不等式的实验，在量子力学和定域性原理中二者择一的判决性实验。
4. 我的预言
综上所述，实验T可能出现E、F或G三种结果。按照量子力学，将出现结果E或F。其中结果E表明冯·诺伊曼的测量理论正确而结果F表明路德维希的测量理论正确；而按照定域性原理，则将出现结果G。
我预言：实验T肯定会出现结果G，除了“定域性原理”以外，再补充一个论据：
从费曼关于退相干现象的阐述我们看到，问题起源于实验事实A。人们认为：这一实验事实表明经典概率论的全概率公式不适用于微观世界，但晚期的费曼提出了新的观点：
“虽然在量子力学诞生以前，人们没有使用过以概率幅迭加为基本原理的概率论，但这一套做法并不违背概率论的数学结构。譬如，表示命题A的概率公式的失效并不意味着概率论里关于相互排斥的事件的条件概率相加的普遍定律不再成立。因为，事实上，上式右边的两个概率是在两条缝轮流打开的条件下的概率，而其左边的概率则是两条缝同时打开的条件下的概率。条件不相同，本来就没有理由把该式看作是概率论的一个结论。只有在经典物理学的粒子观念支配下，认为粒子只可能通过某一条缝，而这时它所没有通过的另一条缝是否开放，不会对它的行为有什么影响。只有在这种假定下，才可能把该式右边的两个概率当成两个相互排斥的事件的概率，因而遵从上式的相加规则。
“因为在量子力学中起作用的是概率幅的迭加，从而产生了干涉效应，概率迭加规则就不再成立。由此可见，上式的失效只能说明经典粒子概念的失效，并不说明概率论中的普遍定律不再成立。”
在这里，费曼已经指出双缝衍射实验并未否定经典概率论的全概率公式，但仍然保留了量子力学的基本观点：“电子的运动不是轨道运动。”在我看来，从实验事实A并不能得出这一结论，这一事实仅仅表明电子通过某一条缝的运动与另一条缝的启闭有关。从电磁学的角度来说，这一现象不难理解：电子自己有一个固有电磁场，开启或关闭另一条缝，将会改变这个电磁场的边界条件，从而间接改变电子的运动。按照这种机制，在实验T中，R的电子在屏上的干涉条纹肯定不会因为观察者跟踪R’的电子而消失。
实验T可以有各种变形，例如用“电子通过斯特恩革拉赫装置的不同通道”来取代“电子通过不同的缝”，这样，被观测的物理量就不再是电子的位置而是电子的自旋。或许，这种观测电子自旋的实验更容易实现。
我在等待大自然的裁决。
吴国林、孙显曜著《物理学哲学导论》之前言(2009-10-07 15:28:51)
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按：《物理学哲学导论》（由吴国林与孙显曜合著）由人民出版社于2007年出版，是近年来专门研究物理学哲学问题的专著，具有一定的难度和新意。现将前言发于此。
按照《中国大百科全书》（物理卷）（中国大百科全书出版社，1987年版）的定义，“物理学研究宇宙间物质存在的各种主要的基本形式，它们的性质、运动和转化以及内部结构；从而认识这些结构的组元及其相互作用、运动和转化的基本规律。” 物理，就是探索万物之理，探索万物存在、运动与演化的客观规律。随着物理学各个分支的发展，人们发现物质的不同形式之间存在着内在的联系，它们形成一个完整的整体。物理学家在于寻找一切物理现象的基本规律，尽最大可能去统一解释物理现象。自近代科学革命以来，物理学一直是科学发展中的先导学科，极大地推动了社会进步。物理学一直以其严密的数学表达和精美的实验令人惊叹，深刻揭示了物质世界之道，它具有丰富的哲学意义。
物理学对哲学具有重要的影响，同时哲学思想又会影响科学研究。正如著名量子力学创始人普朗克深刻指出：“物理学对一般哲学的影响并不单纯局限于这样一种消极的或纯破坏性的活动上；它在积极意义上的贡献重要得多。这一点无论是就形式而言还是就内容来说都是正确的。众所周知，物理科学的方法主要因其精确性而被证明是富有成效的，它们也因此而成为非精密科学研究的楷模；就其内容来说，应当指出任何一门科学都是植根于生活之中的，类似地也就不可能把物理学同其研究者截然分开，……研究者的一般哲学思想将自始至终对其科研工作产生某种影响，而其研究成果反过来必然对他的一般哲学思想产生一定影响。”
物理学哲学就是对物理学的反思，就是物理学所呈现或隐喻的智慧。本书名为《物理学哲学导论》，仅对某些物理学理论、重大物理实验或重要物理事件进行哲学反思。从古希腊亚里士多德的《物理学》到牛顿的《自然哲学之数学原理》，物理学研究了极宽的范围，是对物质世界的基本规律的研究，涉及到最日常生活的问题。1935年爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在《物理评论》发表了《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》一文，引发了对量子力学基本问题的论争，而且引发了量子信息问题。他们的论证是相当简洁的，其哲学前提也是简单的。我们认为，真理是质朴的，而不是深渊的，尽管表达真理的形式可能是复杂的，我们应当将它的内涵用质朴的语言将其表达出来。因此，本书在写作风格上，尽量用简单的语言表达出来，较少采用形式化的语言，用日常语言阐述其意义。在具体问题的设计上，我们偏重于20世纪以来，特别是当代前沿的理论，如量子力学、相对论、量子信息论、系统科学等所揭示的哲学意义，由于这些问题涉及面宽，因此，我们偏重于以问题为中心，采用交叉式研究方法，以解决问题为目的。
物理学包括的范围较广，天文学、现代宇宙学、量子信息论等都是在物理学的基础上发展起来的，它们之间有很大的交叉，因此，本书的内容包括天文学、现代宇宙学、量子信息论的部分哲学问题。全书共分十一章，具体内容如下：
物理学研究物质世界，必须首先认识客观世界的实在性。那么什么“实在”？从经典力学、量子力学到AB效应，从物质粒子、场和势，“实在”有什么特点？在一般性的实在论与反实在论又如何认识“实在”？我们认为，势比场更基本，势具有客观实在意义，尽管势不是变换不变的。这构成了第一章的内容。
在第二章，我们从自然科学，特别是从AB效应、准粒子、虚拟实在、赛博空间等视角展开研究“实在”，在此基础上，我们提出了开放实在论的基本原则。实在构成一个开放系统，实在是由系统内在的质与系统的外界环境相互作用的结果。系统内在的质构成实在自身（reality itself），实在自身与环境一起构成的实在我们称之为开放实在。实在的自身的质，不受外界环境的影响，但受实在自身内部因素的影响。开放实在论从一个新的角度来认识实在，也是作者近年来致力探讨的一个的问题。
时间空间是物质的广延。时间空间在物理学中具有非常根基性的意义。我们在第三章简要讨论时空概念从古代、近代到现代的演变。从量子宇宙学角度论证了量子宇宙的创生是一个物质过程。在各种量子宇宙模型中，不论是高维还是低维，以及利用最新粒子物理中的新思想新概念，如超对称、超引力、超弦等，也不论是采用“无边界”方案、“隧道”方案或者物理上可接受的边界条件和初始条件，宇宙的最初假设总少不了引力场(度规)和物质场。
“杞人忧天”的故事涉及到时空是否稳定的问题。稳定性与不稳定性只存在于它们相互依存和相互联系中，不存在纯稳定的时空，也不存在纯粹不稳定的时空。稳定与不稳定在一定条件下可以相互转化。
在第三章，我们还讨论了宇宙的有限无限问题。我们应当从非线性、混沌宇宙具有确定性，同时具有内在随机性的对立统一中理解宇宙的有限无限问题。宇宙的有限性与无限性是统一的。存在是演化的存在，演化是存在的演化，而物质的本质是存在，物质不生不灭，即反映出宇宙无限性。
第四章从当代科学的最新进展，特别是超弦理论、复杂系统理论等，对物质可分无限性问题展开较深入讨论，并从方法论角度对物质可分性问题展探讨。粒子之间的转化有时可以揭示粒子的可分性质，有时则不能揭示，关键在于是否满足相应的物理条件。实际上，粒子之间的转化与粒子的内部结构是两个不同的问题，不能由粒子的转化问题来否定粒子是不可分的。物质层次论（反映系统内部）与物质生成转化论（反映系统之内外部）是描述物质性质的两个方面，它们是统一的，不能以一个代替另一个，两者的统一才是正确的自然观。“分”并不要求一定是质量越来越小，长度越来越短。宏观物质有长度、质量等概念，有自己的适用的范围，但是到了微观领域有的概念就不适用了。长度或质量不过是物质的性质之一。“分”可以是其他物质性质、结构或功能的“分”。
第五章通过量子力学的典型实验说明量子现象，揭示量子实在。微观粒子具有波粒二象性，就是说，微观粒子在某些条件下，具有粒子性；而在另一些条件下，具有波动性。微观粒子具有的波粒二象性不同于经典物理学中的波动性与粒子性。算符给出了无限维空间和现实的四维时空之间的联系。波函数（或几率幅）与算符都具有物理实在的意义。薛定谔“猫”佯谬、延迟选择实验等表明，微观客体性质的宏观显现不仅包括客体内在的性质也包括其环境的性质，而经典力学中客体本性往往与环境无关。量子实在是量子物理学所构建的实在，它是本体实在在量子世界的反映、呈现或隐喻。客观实在在一定的微观环境和宏观环境共同作用下所显现的实在就是量子实在。
第六章探讨量子力学的测量问题。没有测量，就没有物理学。测量仪器与科学理论之间往往是相互说明和相互协调的。量子力学的测量问题引起很大的争论。从某种意义上，玻尔、玻恩、冯·诺依曼等大科学家得出了有关测量的“主观介入”观点，有的学者还认为意识对量子过程发生作用，其原因在于当时量子力学的进展不大。目前有关量子测量的理论表明，相互作用产生量子纠缠、导致消相干是一个具有普适性的基本物理过程。量子力学并没有“主观介入”，量子力学的测量具有客观性。量子力学测量的客观性是具体的客观性，它蕴涵了主体间性。
第七章讨论量子信息、量子纠缠等哲学问题。量子信息是近10多年来受到国内外学术界高度关注的一个重要的理论问题和技术问题，出现了许多研究性论文，量子信息理论已取得了重大理论突破和实验进展。量子信息的基本框架主要包括量子纠缠、量子不可克隆定理与量子编码、量子通信、量子计算、量子对策论等问题。量子信息不是量子实在，而是作为量子实在的状态、关联、变化、差异的表现。子系统之间有量子纠缠的最重要的特点是，子系统A和B的状态均处于依赖于对方而各自都处于一种不确定的状态。对一个子系统进行测量必将使另一个子系统产生关联的塌缩。纠缠态的关联是一种纯量子的非定域关联，是一种超空间的关联。
第八章讨论量子非定域性及其哲学意义。所谓量子非定域性，是指在量子相干尺度内，一个微观系统的性质，不仅与所在局域的时空性质有关，而且也与另一处于类空间隔的微观系统的性质或时空的性质有关。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。非定域性具有实在性、独立性与转移性，它可以创生，也可以消灭。非定域性表明事件与过程具有重要意义。经典事件不同于量子事件。量子事件之间仍然具有因果性。
第九章研究对称性。对称性是物理学非常重要的概念。在粒子物理中，对称性方法是研究基本粒子的重要方法。以粒子物理和规范场为代表的现代物理学是以对称性、守恒性、变换不变性为基础的正统方法。在本章我们首先研究了对称性的内涵及形态，对称性与对称性的自发破缺。详细讨论了粒子物理中的变换不变性，守恒量、对称性与规范场之间的关系。从数理观点来看，对称性就是变换的不变性、守恒性、或者称为协变性。最后研究了对称性及其对称破缺在物理学中的方法论意义。
第十章首先从一般性的角度讨论混沌、突现和复杂的基本涵义，然后讨论量子计算的特点及其意义。计算复杂性是衡量算法效率的一种指标。量子计算机就是一个量子力学系统，量子计算过程是量子力学系统的量子态的演化过程。量子算法最本质的特征就是充分利用了量子态的叠加性和相干性，以及量子比特之间的纠缠性，它是量子力学直接进入算法理论的产物。量子算法之所以能克服经典算法所不能克服某些复杂性呢？关键在于量子计算机是一个复杂系统，量子计算所具有的复杂程度不低于求解问题的复杂程度，即以复杂性克服复杂性。
寻求物质世界的统一性、简单性，一直是人类的追求。爱因斯坦开启了统一场论的研究，尽管没有成功，但是，对弱电统一理论、大统一理论与超大统一理论有很大的启示。第十一章将讨论统一性思想的演化，最小作用量原理的意义，统一场论的意义，探讨统一性原理。各门科学属于同一个科学整体，它们只是从不同的方面、不同的层次、不同的深浅程度来研究同一个物质世界这一整体，因此它们只是看起来不同而实际却存在着共同的道路。自最小作用量原理发现以后，由于其逻辑简单性和统一性，科学家竞相在自己的领域中运用这一原理，成为理论物理学的一种风格。
物理学哲学属于标准的科学哲学的内容，影响甚大。从世界范围科学哲学的研究来看，物理学哲学始终有其重要地位，目前研究的内容更为细致和深入。20世纪80年代到90年代初是我国物理学哲学研究相当活跃的时期，一批学者围绕相关问题展开了较深入的研究。随着20世纪末量子信息理论的兴起，又给物理学哲学带来了新的机遇。沉浸于正在兴起的新世纪的物理学哲学的研究浪潮，如果本书能够成为一朵小的浪花，这就是对我们所做工，还要向人民出版社的张伟珍女士卓有成效的工作表示感谢！向所有帮助本书出版的同志们表示感谢！
吴国林
2007年2月10日
