对量子相干性的非局域性的解释

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  对量子相干性的非局域性的解释
按量子真空相互作用方案内容,量子态的粒子选择并不是随机的:它受到粒子与真空相互作用的微妙的但很明显的影响。根据这一概念,量子世界的某些现象,尤其是非局域性和相干性,并非反常现象。
我们把量子和量子真空之间的相互作用表征为双向傅里叶变换过程。真空中的每一个干涉图样反馈到相应的时空态或位形空间,并遵循这样的可逆性原则:从时空向光谱领域转换的反过程是从光谱向时空领域转换。结果在时空的致密物质范围内,每一个光子,每一个电子,每一个原子和每一个原子中的每一个原子核都与整个范围内的波函数 (或者与同它们自身的状态或构型空间相对应的波函数)一起连续地内构成。
只要量子处在非相互作用状态,以上所说的内构成就不是有效的。然而,那种条件是一种抽象概念,根据这种抽象概念,可以同意量子力学所说的,波函数是对可供选择的可能状态的叠加的一种适当描述。但当量子面临决策事件时(在真实世界中这种遭遇是经常性的),它的几率矢量状态就分解为决定论状态。对这种状态的选择并不是量子力学所规定的,后者只能给出可供选择的可能性的权重。在连续光谱的彭加勒系统中恒定的量子真空相互作用要求这种选择与系统在其内的状态空间或构型空间相一致。
我们能够探索关于相干性和非局域性现象这一概念,经典的例子是扬氏双缝实验。在这里光从某一光源发射出来并让它通过屏上的一个狭缝,另一个光屏放在第一个屏的后面来记录穿过狭缝的光线。于是就好像让水通过小洞那样,光束呈扇形散开,并形成了一种衍射图样。该图样表明光具有波动性的一面,并不是自身的反常。但是如果屏上再开第二个狭缝,那么就会出现两个衍射图样的叠加,即使每次只发射一个光子也是如此。在狭缝后传播的波形成特征干涉图样,当它们的相位差是 180 度时,其波前相互抵消;当它们是同相位时,则相互加强。看上去就好像每个光子同时穿越了两条狭缝一样。
时间和空间对这种效应似乎没有什么影响。对该实验的“宇宙学”描述中,干涉的光子起源于遥远的星系,它们发射的时间相隔数千年。在一个实验中,光子是由称之为 O957 516A,B 的双类星体发射的,人们认为这一遥远的类星体是一个而不是两个星体,它的双重图像是由于其光线受到一个中途星系的偏折所引起的。正如在第 2 章中指出的,尽管这些光子起源于几十亿年前且有 5 万年的间隔,但它们到达实验室仍能相互干涉,就好像它们的发射仅仅相隔几秒钟似的。
为了避免得出每个光子被告知其他光子的状态并据此选择自己的路径这样的结论,量子物理学家通常都假定,每个具有波粒二象性的光子都分 裂并取两条路径,即通过两个狭缝,所以它然后又重新结合起来从而在屏上产生干涉图样。这一观点与量子理论的数学是一致的,而且在过去 50 多年中几乎没有出现例外。
然而这种标准观点也许需要修正,D·查尔蒙 (David Chalmers)的实验证明,光子只穿过一条狭缝,然后同穿过另一条狭缝的其他光子结合而产生干涉图像。在这一实验中,一个激光源被分裂成两束,然后在到达屏上的双缝之前通过半镀银平面镜重新结合,像通常一样,人们就会观察到明暗交替的干涉条纹。然后,把一块偏振片放在上狭缝前面,把方向调整到保证只有垂直偏振光子才能通过狭缝,第二个偏振片放在下狭缝的前面,把方向调整为只允许水平偏振的光子通过狭缝。
我们知道,方向相反的偏振光不能相互干涉。如果每个光子,不管其偏振方向如何,都能通过两个狭缝,那么方向相反的偏振就不会阻碍产生干涉图样,但是在方向相反的偏振的情况下干涉没有出现。当第三个偏振片放置到来自于两个狭缝的光子的光路,并使其与两个狭缝之间的角度都成 45 度角从而使它们偏振角度的差异抵消时,干涉图样又产生了。由于偏振角一致了,光子又相互干涉了。
这里,费曼(Feynman)详细说明的条件已满足对量子力学定律的重新解释。按照费曼的观点,如果双缝实验是按这样的方式完成的:干涉图样是在对光子通过的狭缝的选择被限定的情况下获得的,那么重新解释就变得必要。通过在到达指定的狭缝前把某种特定的偏振引入光束,单路偏振实验能够确定某一给定的光子能通过那个狭缝。当人们在光子到达记录屏之前去掉不相容的偏振角时,他们又可得到通常的干涉图样。
这样看上去由给定光源连续发射的光子只通过一个狭缝,然后才相互干涉。这清楚说明光子并不是自我干涉,而是记忆在起作用。先前发射的光子从物理学上讲不在那儿,但它们的踪迹仍在,因此最合理的解释是,连续发射的光子与先前发射的光子的踪迹相互干涉。但是这些踪迹是如何记录和传输的呢?对于实在论的解释而言,携带踪迹的物理媒介是必需的:一种超越相对论时空界限的媒介。我们在第 5 章所描述的方案提出了这个媒介——量子真空的标量介质波谱。
现在我们能转向 A·爱因斯坦、B·波多尔斯基和 N·罗森在 1953 年提出的思想实验了。在该实验中一个粒子分裂为量子态完全一样的两半块,每一半都允许分离。现在对其中的一半进行测量(例如测量动量),并对另一半进行互补性测量 (例如测量位置),这样就可证明海森堡测不准原理能被克服。然而,当 1982 年 A·阿斯贝克特 (Alain Aspect)成功地对该理想实验进行了物理检验时,人们发现一旦对一个粒子进行测量,其叠加的几率态就消失 (波函数崩坍),对第二个粒子测量也一样。 无论如何,这不是爱因斯坦所预言的结果,相反,它对相对论中的信号的最大速度传输规律提出了疑问。
这些结果又激励了其他思想实验,其中包括著名的“薛定谔猫”实验。E·薛定谔提出,我们可以把一只猫放在一个封闭的容器里,然后把一个装置放在容器中,该装置完全随机地释放或不释放毒气。这样,当打开容器时,猫或者是死的,或者是活的。常识告诉我们,若装置释放了毒气,那么猫就已经死了;如果没有释放毒气,那么猫仍活着,所以在打开容器前猫不是死的就是活的。但是事件的这种状态是被量子理论禁止的,只要容器封闭着,就存在状态的几率叠加——猫必定是既死又活的状态,只有当容器打开后,两种几率才崩坍为一种。
德布罗意提出了一个类似的思想实验,这次不是把一只猫,而是把一个电子放进封闭的容器。我们把在巴黎的这个容器一分为二,一半用船装到东京,另一半装到纽约。常识告诉我们,如果打开纽约的这一半容器并发现了电子,那么电子在容器从巴黎出发的时候就必定在里面了。但是事件的这种状态,就好象薛定谔的猫难以判定其是死是活一样,也是被量子理论所禁止的,每一半容器都必定有电子隐藏的非零几率。因此,当在纽约的那一半容器一打开的时候(无论该容器里是否有电子存在),在东京限定电子存在几率的波包也就被约化了。
在空间上相互分离的粒子能够相互告知其各自状态这一点构成了量子非局域现象,物理学家们对之提出了不同的解释。很明显,它们之间的相互关联或者是由于同处于一个包含两个粒子的共同坐标系中,或者是由于其他的效应,如时间的可逆(因此被观察的粒子能够把它正在被测量的信息通知它似乎不分离的孪生粒子)。后一种选择被 H·普朗士 (Huw Price)曲解了,他声称,影响粒子先前状态的是实验者对粒子状态的干预。这提供了对该现象的实在论解释,但代价是假设在物理世界中存在倒因果关系。另一种假设 (即同一坐标系中包含两个粒子)要求在物理学宇宙中对共同粒子系统进行详细说明和证明,量子真空相互作用方案的意图正在于此。它的粒子共同系统是由包含粒子和量子真空之间的双向转换的相互作用过程构成的,在这里对量子状态的选择不是随机的 (象在标准的量子理论解释中那样),但是它通过以真空为基础的具有同时干涉能力的波转换与宇宙其余部分相联系。
该方案也能阐明原子壳层中电子之间的非动力学相互关系。在解释基于泡利不相容原理 (它说明了绕核旋转的电子不可能有两个同处于四个量子数都相同的状态)的物理事件时,我们可以越过经常听到的老生常谈——在这里每个电子似乎在某种程度上“知道”其他电子的量子态。相反

 
 

①    A·阿斯贝克特等,《物理评论》,第 49 卷,第 9 期,1982 年。
①    H·普朗士《通向量子力学实在论的一条被忽视了的路》,载《心灵》103 卷,1994 年 7 月。 我们可以主张,在原子壳层中电子由信号传输场相互联系,在原子组态空间内单个量子的波函数与总体的波函数之间有准瞬时信息传递——这一信息使在其他情况下非决定论的量子态的几率偏向于同总体中每个电子的位置相对应的那一组量子数。
类似的解释也能说明出现在高度受激的电子壳层 (即所谓的里德伯原子)中的令人惊奇的有序现象,这种现象在氢原子中看得最明显。在正常情况下,氢原子中的唯一的电子与原子核中的质子紧紧地束缚在一起,整个系统的行为遵循量子力学规律:原子不能进入任何任意能态,它只能处在离散的,即量子化的能级。在低能量时,允许的能级分布得相当宽。但随着原子能量的提高,电子运动就越来越远离质子,其允许的能级也就越靠近。当能量恰好处于电子能逃离原子的临界阈限值时,允许的能带就会靠得足够近,从而形成了可以用经典力学规律描述的连续态。
然而,里德伯原子显示出了一种奇妙的混沌行为,描述它需要把正常情况下由 6 维 (3 维描述位置,3 维描述动量)来描述电子的相空间进行缩减。因为原子中的磁场限定了对称轴:电子只相当于在与沿轴方向的距离相关的二维平面内运动,没有绕轴的运动,所以很容易减去二维。在这剩下的四维相空间中,可以取称之为能量壳层的 3 维薄层,这就允许建立一个电子运动的 3 维模型。复杂的 3 维相空间模型还可以通过取穿过能量壳层的所谓彭加勒截面 (固定的二维平面)作进一步简化,这样就得到了二维表象,它由电子的轨道与该平面表面相交的点构成。
正是在这一表象中里德伯原子行为的奇异特征变得很明显。现在我们搞清楚了,与其他混沌系统一样,里德伯原子不能分解为单个组分的运动——沿一坐标轴的运动与沿其他所有方向的运动紧密相联。而且,能级的分布也在经历变化。与在原子基本状态中能级随机分布互不相关不同,里德伯原子的能级是非随机分布的,而且紧密相关。持续的激励推动原子所达到的连续能级突然分裂:能带变得既高度分离又相互联结,尽管在原子中并不存在能解释通过能带显示出的新发现的有序或它们与之紧密联系的

动力学意义上的力。有意义的解释必须首先要涉及大尺度彭加勒系统中的以真空为基础的恒定相互作用。在磁感应而导致的混沌态下相互作用效应变得很明显,因为原子比在基态时更敏感。结果,其态函数就显示出同调性,这种同调性我们可以期望在标量介质真空零点场中的相邻的孤立子上显示出来。
对于超导性和超流动性中的同调现象也可作与此相关的解释。超导体中电阻的消失被认为是由于其运动产生电流的电子 (对所有电子薛定谔波函数具有相同的形式)具有高度的同调性。在超低温时,常温下的那种由于晶格中原子的振动所产生的扰动被消除,因而恢复了同调性,所以电

 
 

①    D·克莱普勒和 M·赖特曼《高度受激的原子》,载《科学美国人》,1981 年 5 月。 流就可以无阻碍地通过导体。这一现象同样可以看作是充满信息的真空谱中电子嵌入的一种效应,在那种场中磁导率/电容率如达到某种程度 (这由量子传播的有限速度独立地给出),那么互相接近的带电粒子就会互相吸附,在不存在热干扰的情况下,它们就象连续基本介质中的类孤立子波那样同调运动。
约瑟夫森效应 (相互间保持有限距离的超导体相互关联)也关系到连续基本场。按照 D·杰迪斯 (Del Giu-dice)等人的观点,关联效应不仅仅在超导性这种特殊情况下可以得到,在存在物质实体的相邻系统的任何地方,无论它们是原子、分子还是其他粒子,在它们中都会出现瞬时关联。一对紧挨着的细胞能象约瑟夫森结那样进行相互作用,一组全同细胞能产生这种结的整体排列而把细胞都闭锁在这一状态上。因为细胞的同调性又在细胞集中产生同调作用,所以我们就获得了一种保证生命系统进

行整体整合的主要因素。在这一点上,具有真空谱全息子结构的微观和客观尺度系统的相互作用是既作为物理学又作为生物学世界中的最重要的过程出现的。
持久的研究也许可以显示出把普朗克领域内可观察到的现象归于量子与量子真空波谱场相互作用而取得的丰硕成果。在这种相互作用方面,量子态的同调性并不是特设的,而且导致波函数崩坍的状态在自然界中也不是任意的。
这里描述的量子真空相互作用非常具体而有新意,而它的哲学基础与物理学前沿研究中的广泛意见是一致的。我们尤其同意玻姆的观点——通过考虑起源于量子真空的微妙效应来完善量子理论,在计算物理效应时我们同意用随机电动力学来消除真空涨落。这一概念的基本哲学与惠勒的格言一致:“真空物理学处于每一件事的核心。”

 
 

①    D·杰迪斯等《磁通量量子化和生命系统中的约瑟夫森行为》,载《物理年鉴》40 卷,1989 年,P786—P791。
①    惠勒《量子宇宙学》,载《世界科学》,LZ·方和 R·洛费因主编,新加坡,1989 年。

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