谭天荣:一个检验量子测量理论的建议

选择字号:   本文共阅读 3085 次 更新时间:2007-10-17 07:35

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谭天荣  

内容提要:本文提出一个用实验检验量子测量是否需要“主观的介入”的建议;并预言实验将得出意外的结果:测量不会导致量子退相干。

关键词:双缝衍射实验;跟踪电子;量子退相干;费曼;冯·诺伊曼

在《费曼物理学讲义III》一书的第一章中,作者以“量子行为”为标题,详细考察了双缝衍射实验的“奥秘”:如果电子枪发出一束电子通过一个开有两条缝的隔板落在后面的屏幕上,则一方面落在屏幕上的电子呈现出像子弹一样的颗粒性,另一方面屏幕上的电子的数目分布呈现出像水波一样的干涉现象。费曼指出:电子的这种行为是“极其神秘”的,而且“你考虑的越多,就越会感到神秘。”他还说:人们曾经设想电子以各种复杂方式绕行通过缝来解释干涉现象,但都不成功。最后人们才认识到,理解电子的双缝衍射实验的障碍原来是人们默认了如下前提:

A:每一个达到屏幕的电子不是通过第一条缝就是通过第二条缝。

按照费曼的意见,如果命题A成立,则有:

B:在两条缝同时打开的条件下的衍射图形将是在两条缝轮流打开的条件下得到的两个衍射图形的迭加。

但双缝衍射实验否定了这一结论。于是费曼断言必须放弃命题A。

从这一论断出发,费曼构思了一系列理想实验,其中之一是: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。这种由于“测量”而导致的相干性消失的现象被称为“量子退相干”。

怎么理解量子退相干现象呢?量子物理学家们的意见可大致分成两种类型。

一种以冯·诺伊曼为代表,他在《量子力学的数学基础》一书中提出了或许是最早的测量理论,其核心是如下命题:

“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’”。

按照冯·诺伊曼的这种意见,“主观的介入”乃是量子退相干的根本原因。

德国物理学家吉·路德维希则持相反的观点,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测量理论。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“主观的介入”。

另一种扬弃“主观的介入”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。

上述两种测量理论的观点与冯·诺伊曼的观点显然是相互排斥的,能不能用实验来判定孰是孰非呢?

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,我们满可以放置上光源而不观察电子,从实验结果是否出现干涉条纹就能判定测量过程是否要求“主观的介入”了。但这个实验说起来容易做起来难,电子那么小,想在光的照耀下跟踪它,谈何容易!费曼的这个理想实验不能以它原来的形式实现,或者说,要实现还得作一些技术上的改进。在这里,我们提出如下建议。

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(或者精确地成某一角度),从而形成相向运动的两个电子束R与R’。现在,对其中的R进行双缝衍射实验,即让R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,它有如下性质:设e是R中的一个落在屏上的电子,e’是它在R’中的配偶,则当且仅当e越过L的第一条缝时e’会越过缝S。这样,从e’是否越过缝S我们就知道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。现在我们问:如果L上的双缝同时打开,屏上的电子分布会不会呈现出干涉条纹。

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A成立。按照费曼的意见,命题B也随之成立,从而屏上不会有干涉条纹。费曼的这一结论可表成

C:如果观察者跟踪R’的电子,则干涉条纹将消失。

那么,如果其他实验条件不变,只是观察者不再跟踪R’的电子,干涉条纹会不会消失呢?

冯·诺伊曼的意见是:

D:只要观察者不跟踪R’的电子,干涉条纹就不会消失。

路德维希的意见则刚好相反:

E:即使观察者不跟踪R’的电子,干涉条纹也会消失。

这样,如果实验T的结果是D,则路德维希的观点是错误的;如果结果是E,则冯·诺伊曼的观点是错误的;从而实验T的结果至少会“证伪”上述两种观点中的一种。

现在我们问:实验T有没有可能同时“证伪”上述两种观点呢?

上面提到的各种测量理论,都确认一个前提:在实验T中,命题C肯定成立,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“主观的介入”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。

除此以外,所有这些理论都要求R’的电子与其R中的配偶有某种神秘的“非定域关联”。因此,如果爱因斯坦的“定域性原理”成立,则实验T将会出现第三种结果:命题C不成立。换句话说,实验的结果将是

F:即使观察者跟踪R’的每一个电子,从而知道了R的每一个电子到底是经过哪一条缝,屏上仍然会有干涉条纹。

这种结果对量子力学来说意味着什么呢?

费曼曾经把测不准关系表成: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。并且说:测不准原理以这种方式“保护”着量子力学,如果谁设计出这种破坏测不准关系的仪器,量子力学的大厦就将倒塌。费曼还说:量子力学就以这样的冒险而又准确的方式继续存在着。

因此,如果实验T出现了第三种结果F,则它所用的仪器就是费曼所说的破坏测不准关系的仪器、从而给量子力学带来灾难。诚然,在这场灾难中实际上倒塌的不是量子力学的形式体系,而是费曼们对量子力学的诠释。

我们预言:实验T肯定会出现结果F。理由是:在电子的双缝衍射实验中,命题B不成立并不表明命题A不成立,而是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,这一见解不难理解: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。按照这种见解,从双缝衍射实验并不能得出“测量导致量子退相干”的结论。

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。

A Proposal for Examining Quantum Measurement Theory

TAN Tianrong

(Department of Physics, Qingdao University, Qingdao 266071, P. R. China.)

ttr359@126.com

Abstract: In this paper, a proposal concerning experimental judgment whether the subjective intervention is necessary for quantum measurement is given; also, it is predicted that the theory about quit of coherence would be refuted by this experiment.

Key words: double slit diffraction experiment; to tail after an electron; quit of coherence; Feynman; Neumann van

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