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梅晓春原创物理外争内斗为革命打天下

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发表于 2018-4-25 09:20:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
梅晓春原创物理外争内斗为革命打天下
—— 唯物主义世界观是中华民族的立国之本
 梅晓春
近年来,因中国科技大学副校长潘建搞的量子通信,量子力学成了公众话题。手机里和网络上,到处都在谈论量子纠缠和隐形态传输。科学问题被引伸进社会、宗教的领域,量子力学被弄成一个神秘兮兮的东西,变成了神仙话题。隔空传物的鬼话披上量子力学的外衣,卷土重来。国内有三个科学院院士参与其中,其中一个是著名大学的校长,两个是著名大学的副校长。拜潘建伟等所赐,对量子力学的曲解被广泛传播。在二十一世纪的中国大地上,打着科学旗号的伪科学再次流行。唯心主义思潮死灰复燃,唯物论世界观再次受到严重的挑战。
今年4月1日,笔者的文章“是科学创新,还是欺天巨骗?”在《今日头条》上发表。此前的3月20日,笔者与北方工业大学李小坚教授的两篇学术论文在《中国科技新闻网》学者智库上发表。这两篇文章证明,所谓的量子通讯绝对保密性的物理学基础不存在,量子通讯的BB84协议可以用传统光学理论描述,与量子力学无关。关于量子纠缠和隐形态传输的问题,又在网上又引起议论。为了维护科学的理性与尊严,坚持自然科学的唯物论本性,笔者认为有必要把量子纠缠和隐形态传输的问题说清楚,还量子力学的清白,以正科学视听。
这个问题的始作俑者是潘建伟院士,他把崂山道士的现代版引入中国,导致诸如隔空传物的伪科学谬论到处流行。量子隐形态传输概念最早由Bennet在1933年提出,它无异于鬼魅作用,在世界上是臭名远扬的,被认为巫术和传心术之类的东西。潘建伟却把它当宝贝,在各种场合大肆宣扬,请看他在公开场合是怎么说的。
2017年11月26日上午,在《2017金华发展大会发展论坛》上,潘建伟做了发言,说量子力学证明,可以把一个人瞬间从金华送回北京。此前潘建伟多次说,杯子可以隐形态瞬间传输。但这次他说的是人,人也可以被隐形态瞬间传输。比如他本人可以瞬间从金华消失,然后在北京瞬间被重新构造出来,之间隔离千山万水。
潘建伟发言结束后准备离开,中央电视台面对面节目主持人董倩走到台前,将他截住,说:“潘教授留步,有个问题给您。刚才我在后面听,你人在金华,可以回清华。这事是怎么实现的,可以实现吗?”
潘建伟回答说:“目前的量子力学原理告诉我们应该是可以做,但是在技术上非常困难。因为我们现在只能操纵几十个粒子,或者几百个粒子。我们人是由10的28次方个粒子组成,所以等待几百年,几千年之后才能完成。但是谁知道呢?……比如说三百年之前,开普勒给伽利略写了封信,说我们可以做个飞船,到宇宙中航行。别人问他怎么做到,他也不敢肯定。但到了上个世纪,三百年之后,我们就已经跑到月亮上去了。所以我想也许,我觉得应该可以做到,至少目前物理学原理允许我们可以这么做。”
董倩说:“您在原理上可以从金华马上就出现在清华,但是真正出现的,可能不是您了,可能是若干年后,若干百年后。” 潘建伟回答说:“那不是,他是以光的速度在飞行的。就是说,如果我在这里完成这个操作之后,其实在这里的潘建伟就不存在了,还原成一团原始的物质了。但是呢,在北京的那个我,其实就是真正的我,用同样多的原子,同样多的粒子把我重新构造出来,所以我思想呀,记忆呀,精神呀……,”
董倩再也忍无可忍,打断潘建伟,说:“您再说就是李洪志了,我都听不懂了!”
此话引起台下听众哄堂大笑,有人用力鼓掌。潘建伟一脸尴尬,结结巴巴地说:“所以说,科学,…科学,和那个,…那个…。”
董倩最后总结说:“科学家的思维模式跟我们不一样,他能够把所有的(东西)都混成一团,”于是又引来一场哄堂大笑。遗憾的是,这段精彩的结尾在平面媒体的报道中都没有提及,但视屏在网上可以找到。
董倩显然是个明白人,拥有正常的思维能力。对于一个理智正常的人,某些事情是否可能存在,凭经验和逻辑就可以判断,无需什么高深的理论。人与物体的这种鬼魅性的隔空传输,傻瓜也不会相信。潘建伟尽管口沫飞溅,说破嘴也是没有用的。
谁说量子力学证明物体可以隔空传输了吗?纠缠态就是隔空传输吗?人是宏观物体,不是微观粒子,怎么也可以用量子力学描述?宏观物体与微观粒子的统计性质完全不一样,这是物理学最起码的常识。潘建伟连点都搞不清,他是真懂量子力学,还是一个半桶水呢?他是有意忽悠,还是别有它图呢?三百年来,人类没有实现的预言太多了。为什么只说预言的飞船可以实现,却不说两千年前预言的上帝和地狱,到现在还没有发现呢?
第二个宣扬灵魂和鬼都可以存在的,是前任清华大学副校长施一公院士。本人此前读过他对中国科学和教育进行反思的一些正能量言论,对他充满敬意。但他最近在《生命科学认知的极限》演讲中的言论,让我几乎惊掉下巴。对于这个演讲,网上文章的标题是:施一公:我的认知再度崩塌了:世界可能根本就不存在...。以下是文章的片段:
“我们原来认为世界是物质的,没有神,没有特异功能,意识是和物质相对立的另一种存在。
现在我们发现,我们认知的物质,仅仅是这个宇宙的5%。没有任何联系的二个量子,可以如神一般的发生纠缠。
既然宇宙中还有95%的我们不知道的物质,那灵魂、鬼都可以存在。
既然量子能纠缠,那第六感、特异功能也可以存在。
同时,谁能保证在这些未知的物质中,有一些物质或生灵,它能通过量子纠缠,完全彻底地影响我们的各个状态?
于是,神也可以存在。”
你能相信这是一个从事科学研究多年,了解达尔文生物进化的学者的言论,而不是教堂里的一个神父的布道?多年前,我的一个朋友想把我拉入基督教会。他给了我一个光盘,里面有几个神父的演说,谈的都是这类东西,试图用科学来证明上帝和灵魂存在。什么达尔文进化论被现代分子生物学推翻,人不可能通过进化而来,宇宙学证明宇宙在时间和空间上有起点,世界是被某种力量创造出来的。
施一公先生显然受到量子纠缠理论的蛊惑,他不懂量子力学,自称是门外汉,却迷信有些人对量子力学的胡说八道。他的逻辑判断能力也出现问题,即使宇宙中还有95%的未知的物质,这与灵魂和鬼神有什么关系?难道鬼神能够填补这种物质缺失的空白?人类几千年文明史,曾经有过多少未知之谜。科学就是为了解答未知之谜而存在的,如果遇到暂时不理解的自然现象,就将它们与鬼神相联系,与古代社会的巫师与神汉有何不同,还要科学干什么?作为一个生物学研究者,难道施一公先生想放弃达尔文进化论,回归上帝创世造人之说吗?
第三个是前中国科技大学校长朱清时院士,他主张教育改革,创办南方科技大学,也是一个让我敬佩的人。然而他试图用量子力学证明佛学的言论,说明他也是误解了量子力学。由于朱院士是一个物理学家,他对量子力学纠缠理论的误解会误导更多的人。他认为佛教是研究意识的,而现在量子力学发现,人类的主观意识是客观物质世界的基础。按照量子力学,微观的粒子从不确定的状态变成确定的状态一定要有意识参与,因此量子力学证明了佛学。
如果朱清时教授决定放弃科学,改信佛学,那是他个人的事情,我们无权干涉。如果他认为佛学仅是一种智慧,人的精神和品味会因佛理而得到升华,我也乐意接受这种看法。但如果他认为科学证明了佛学,人类几百年的科学攀登,最终见到的只是几个躲在山顶岩石后的僧侣,则是不能同意的。对朱清时院士的言论,网上有很多议论,笔者就不多说。在此只想说一句,上帝的归上帝,凯撒的归凯撒,量子力学不是佛学,请不要把它们混为一谈。
中华人民共和国共和国宪法第二十四条规定,应当“进行辩证唯物主义和历史唯物主义的教育”。作为中华人民共和国的公民,这是人人都应当遵守的。更何况作为公共知识分子,他们的言论对民众有影响,就更不能违背国家宪法。中国民族历来不崇尚宗教,从孔夫子开始,都是只重人文,不谈鬼神的。共产党领导的中华人民共和国,更是把辩证唯物主义当成立国之本。中华民族的科学复兴,不可能通过崂山道士墙过壁之类的鬼话来实现。
身为国内大学高层的管理者,潘建伟等人不但没有尽他们宣扬唯物主义的职责,反而把巫术和鬼神理论包装成科学,向社会和大众兜售,这与他们的身份是非常不相符的。尽管他们都受到很好的教育,但他们的知识结构是有缺陷的。他们没有坚定的唯物论信仰,在哲学实际上是二元论者,在唯物论与唯心论之间摇摆,内心深处实际上对唯心论那一套有更多的眷恋。一有风吹草动,就会对我们这个世界的真实性产生怀疑,最终滑到神秘主义的一边。当物理学理论解释不了宇宙现象,理论与观察出现不一致时,他们首先怀疑的不是物理学理论是否有错,而是自然的朴素本性。科学理论遇到麻烦时,崩溃的是他们的内心世界。于是他们就把自己变成一个宗教学家,归结于神的存在。这与普通的愚民百姓热衷于烧香拜佛,有什么本质的差别呢?
作者以下力争用通俗的语言,来说明让施一公先生等感到纠结的量子纠缠到底是怎么回事。
量子力学描述微观粒子,它的完整体系一百年前就建立。许多人以为,人类至今没有把量子力学搞清楚,其实不然。量子力学的数学物理部分是完全清楚的,不存在疑义。现代社会与量子力学的应用密切相关,比如半导体、大规模集成电路,激光器等等。在量子力学的基础上建立的高能物理学理论和实验成果斐然,至今为止在高能加速器上已经发现的几十个基本粒子,这些都是理论预言的,说明人类对量子力学是充分了解的。
量子力学的存在的问题是,对微观粒子波函数的本质没有搞清楚。至今为止已经提出许多种解释,比如量子力学的哥本哈根解释,系综解释和多世界解释等等。目前量子力学的哥本哈根解释占主导地位,由于提出者是量子力学的创始人之一尼尔丹.波尔,就被认为是量子力学的正统解释。但这种解释存在很到问题,实际上是最糟糕的一种解释。量子力学的很多问题都是来源于此,以至于有人把它称为哥本哈根迷雾。
虽然波函数的本质没有搞清楚,但不影响物理学家对量子力学的应用。对于大部分具体问题,用量子力学进行计算的方法和结果都是一样的。只有一个问题例外,那就是量子信息理论。这个理论与量子力学的波函数的理解有关,存在不确定性。
一般认为量子力学有五条基本原理,其中一条是波函数的叠加原理,另外一条是微观粒子的全同对称性原理。量子力学的哥本哈根解释对这两条原理有严重的误解,不但歪曲了量子力学的本来面目,还误导量子信息技术的发展。
事实上,量子力学中从来都没有什么纠缠态原理,只有全同对称性原理。有些人实际上把全同对称性当成纠缠态,并加油添醋地进行歪曲和编造。他们从来不谈全同对称性,只谈纠缠态。其中有些人是无知,有些人则是别有用心。按照全同对称性原理,根本就不存在潘建伟等所说的人从金华瞬间回到北京的奇谈怪论。
为了弄清纠缠态的真面目,需要先说清量子力学波函数的本质,然后说清什么是波函数的叠加原理。
一.量子力学是统计理论,波函数不描述单个粒子的瞬间行为
量子力学采用几率波概念,实际上是一种统计理论。既然是统计理论,量子力学描述的不是单个微观粒子的瞬间行为,而是大量的微观粒子的统计平均行为,或者单个粒子的长时间统计平均行为。如果描述单个粒子,使用的就应当是牛顿力学之类的确定性理论,而不是采用几率概念。哥本哈根解释最基本的错误在于,认为量子力学波函数描述的是单个粒子的瞬间行为。由此就导出各种各样的矛盾,量子力学解释问题的总根源就在这里。
量子力学的更高级课程是量子统计力学,一般量子力学教科书中的波函数被称为纯系综波函数,由纯系综波函数组成混合系综波函数。学物理的人都知道,既然采用系综概念,描述的就不是单个粒子,而是大量的微观粒子。量子力学中所谓的单粒子波函数实际上是一种简化的描述方式,它的前提是大量的微观粒子处于相同的状态,以至于可以把它们看成单个粒子的波函数,代表大量粒子的一种统计平均方式。
比如光的干涉和衍射现象,将光源减弱到极小,使光子一粒一粒地发出。在屏上观察,每次都只出现一个点。经过长时间的累积,才可以出现光的干涉和衍射条纹分布。这个事实再清楚不过地说明,微观粒子所谓的波动现象是一种统计平均行为。说光在某个瞬间又是一列波,这与事实完全不符。光子在某个确定的时刻只能在空间某点出现,不可能空间所有的点上同时出现。事实上,所谓波的分布时一种宏观现象。但粒子是微观客体,二者的界线是非常明确的,我们不可能将它们直接等同起来。就如热力学中温度和压强是一个宏观概念,说单个粒子有温度和压强是没有意义的。
哥本哈根解释却不是这样理解,它把粒子和波直接等同。按照量子力学的正统解释,任意时刻粒子可以出现在任意空间点上,在每一点上几率密度不等于零。然而实验证明,任意时刻粒子只能在空间某个确定的点上出现,在其他点上出现的几率为零。为了掩盖这个矛盾,哥本哈根解释就不得不提出测量理论,认为测量之前粒子可以在空间任意点上出现,测量使波函数崩塌到空间某点,就变成一个粒子。
这种解释显然是荒谬的,它毫无道理可言,实际上是一种诡辩。为什么测量会使波函数崩塌?一个分布在无穷大空间的波,怎么可能在一个瞬间收缩成一个点?波函数崩塌的具体机制是什么?崩塌的速度是有限还是无穷大,如何测量崩塌速度?如此等等,测量理论从来没有给出解释。哪怕一个歪理的解释都没有,能算什么解释呢?
量子力学的更高级课程是量子统计力学,一般量子力学教科书中的波函数被称为纯系综波函数,由纯系综波函数组成混合系综波函数。既然采用系综概念,描述的就不是单个粒子,而是大量的微观粒子。量子力学中所谓的单粒子波函数实际上是一种简化的描述方式,如果大量的微观粒子都处于相同的状态,就可以用单个粒子的波函数来描述,代表的是大量粒子的统计平均行为。
事实上,早期量子力学的基本原理中并没有测量理论的地位,它是在后来加进去的。但它并且不是必要的,按照量子力学的系综解释,就不需要测量理论。测量理论的波函数崩塌假设并没有真正解决问题,实际上还导致更多的问题。
从量子系综的角度,哥本哈根解释的荒谬性是一览无余的。然而科学界也存在强权,学术权威主导一切,同时还受制于意识形态的世界划分。量子力学系综解释最早由前苏联物理学家布洛欣采夫提出,布洛欣采夫名气不大,人又在信仰唯物主义的前苏联,与西方世界的意识形态格格不入。尽管量子力学系综解释比哥本哈根解释更为合理,却始终无法变成主流思想。而且被还日益边缘化,以至于现在几乎没有人提到,甚至没有人知道这种最接近真相的解释。
二.波函数叠加原理的本质
以上我们讨论的是,系统中所有的粒子都处于相同的状态。如果粒子处于不同的状态,就要考虑波函数的叠加原理。比如氢原子中,有些电子处于基态,有些处于激发态,系统就不能用单粒子波函数来描述,就需要考虑波函数的叠加原理。假设系统中有一部分粒子用单粒子波函数A表示,另外一部分粒子用单粒子波函数B表示。
如果不考虑全同对称性,由于量子力学的基本运动方程关于波函数是线性的,总的波函数就用两个波函数的线性叠加A+B来表示。从量子系综的角度,波函数A和B代表系综里两个不同的系统。在任意时刻,体系只能处于其中的一个系统,不可能同时处于两个系统。
从我们对世界基本认知常识的角度,如果一个粒子在某个时刻处于A态,它就不可能同时处于B态。这是一个最起码的逻辑,如果不承认这个逻辑,就可能陷入超自然的范畴。比如氢原子中的一个电子处于基态,它就无法同时处于第一激发态。因为电子从基态进入激发态需要能量的,电子不能自发地从基态变成激发态。事实上物理学上从来没有发现,氢原子中的一个电子可以同时处于基态和激发态,这种事情直接违背人类最基本的经验和逻辑。
量子力学的哥本哈解释恰恰在这里陷入迷途。它根据波函数的叠加原理,认为一个微观粒子可以同时处于A态和B态。到底处于A态还是B态,在测量之前是不确定的。测量使粒子波函数崩塌到其中的一个态,而不是粒子只能处于其中的一个态。用波尔的话说,一个现象只有在被观察到时才能称为是一个现象。如果没有进行观察,物理现象的客观性是不存在的。用一句广泛流传的话说,就是“月亮在没有被看到时是不存在的”。这种看法的荒谬性是不言而喻的,却被某些物理学者视为金科玉律,不遗余力地进行宣传。
三.微观粒子的全同性原理与纠缠态
我们知道,宏观物体总是可以区分的。比如两个玻璃球,哪怕多圆多光滑,用显微镜观察,总可以看出微观结构上的差别。两个双胞胎兄弟,即使再相像,也是可以区分的。然而同类的微观粒子被认为是无法区分的,例如我们无法区分内秉状态相同的两个电子和两光子。所谓微观全同粒子指粒子的质量、电荷、自旋等内秉量子数完全一样的粒子。粒子的能量,动量等可变的物理量不是内秉量子性质,可以不一样。
实验表明,对量子系统的计算必须考虑到全同对称性,这种对称性体现在波函数对粒子坐标的交换对称性。用通俗的语言来说,假设有两个电子,电子1位于北京,电子2位于上海。按照全同对称性原理,我们也可以认为电子1位于上海,电子2位于北京。
微观粒子的这个性质与宏观物体完全不一样,它微观粒子的本质特征。如果是宏观物体,比如两个双胞胎兄弟,老大在北京,老二在上海。我们不可能又说老大在上海,老二在北京。如果双胞胎兄弟是两个电子,我们就可以这样说。
然而需要弄清楚的是,这种全同对称性只是做量子统计计算时才需要的。计算量子几率时需要算两次,而经典统计只要算一次,但也仅此而已。它并不意味着我们真的瞬间可以把电子1从北京变到上海,把电子2从上海变到北京。事实上,把一个电子从北京运到上海是需要通过另外的物理过程来实现的,不是通过全同性原理就能实现的。
读者看到这里,就能猜到纠缠态的猫腻了。所谓的量子纠缠态,其本质就是微观粒子的全同对称性!潘建伟说可以把一个人瞬间从合肥变到北京,利用的就是微观粒子的全同对称性。他把微观粒子的全同对称性当成纠缠态,不知道全同对称性是为了做量子统计计算才引入的。潘建伟从来不提微观粒子的全同性,他总是用纠缠态来代替全同对称性,并用纠缠态来描述人!
事实上,量子力学的基本原理中根本没有纠缠态的概念,只有全同对称性概念。纠缠态概念是爱因斯坦为了反驳波尔的哥本哈根解释,作为反面的东西而提出的,爱因斯坦将它称为鬼魅。想不到几十年后,纠缠态竟然变成正面的东西,堂而皇之地进入量子力学厅堂,并喧宾夺主,把全同性原理给边缘化了,这样的结果实在令人感到莫名其妙。
按照量子力学,微观粒子又分成费米子和玻色子,二者的统计性质不一样,具体体现在波函数的交换对称性不一样。电子和质子是费米子,光子是玻色子。费米子的波函数交换是反对称的,波色子则是对称的。比如有两个光子,分别位于空间x1和x2点上。如果x1和x2相距离很远,两个光子间没有相互作用,波函数分别是A(x1)和B(x2),总波函数则是A(x1)B(x2)。
考虑全同对称性,两个光子的坐标互换,总波函数不变,写成A(x1)B(x2)+ A(x2)B(x1)乘上一个归一化常数。如果是两个电子,位置交换后要加一个负号,总的波函数是A(x1)B(x2)-A(x2)B(x1)乘上一个归一化常数。
两个粒子之间没有相互作用并不意味着没有关联,如果两个粒子的初始状态存在关联,如能量守恒与角动量守恒等,分开后二者的关联仍然存在。如果两个粒子之间存在相互作用,波函数就不能写成坐标分开的形式。不考虑交换对称性,波函数为D(x1,x2)。考虑交换对称性,波函数为D(x1, x2)+ D’(x2, x1)或D(x1, x2)- D’(x2, x1)。如果说两个粒子存在纠缠的话,在这样的情况下才能说纠缠,所谓的纠缠应当理解为相互作用。如果两个粒子分离很远,二者间已经没有相互作用,就只能说存在关联,有全同对称性,没有纠缠。
以上是量子力学逻辑的自然结果,到此为止一切正常。然而现在的量子物理学者却混肴了关联与纠缠的概念,把全同对性性说成纠缠,事情就完全变味了。按照哥本哈根解释,两个相互远离的粒子处于始终处于纠缠的状态。没有测量前每个粒子的状态都是不确定的,测量使粒子从不确定状态变成确定状态。比如有两个极化分别为+1和-1的光子位于x1和x2两点上,哥本哈根解释认为,在测量之前哪个光子在x1点,哪个光子在x2点是不确定的。这种不确定性不是我们不了解,而是在物理学上不确定。由于纠缠态存在鬼魅的相互作用,测量发现位于x1点上的光子的极化+1,就会使x2点的光子的极化马上变成-1。反之亦然,如果测量发现x1点的光子的极化为-1,马上就会把位于x2点的光子的极化变成+1,尽管这两个光子相距非常远,相互之间没有相互作用。因此纠缠态的相互作用被认为是超光速的,甚至速度无穷大的超距作用。
因此哥本哈根解释实际上把量子力学变成一种测量理论,并得出对一个粒子的测量能够瞬时改变另外一个粒子的状态的荒唐结果。由此导出各种奇奇怪怪,莫名其妙的理论,比如薛定谔猫佯谬,比如量子隐形态传输问题。量子力学被认为是非定域性的理论,微观粒子被认为不存在确定的轨道运动。量子纠缠作用被认为是超时空距离的、瞬间就能实现的过程,科学唯物论和因果律遭到彻底的破坏。
由于测量在某种程度上可以看成是人的观察,更进一步的延伸就得出,人的观察可以改变微观粒子的状态的结果。然后又进一步将这种逻辑延伸到宏观世界,得出“我们不看月亮,月亮就不存在”的谬论。这就是朱清时院士的“人类的主观意识是客观物质世界的基础,量子力学证明了佛学”说法的由来。
四.量子统计系综与多世界理论
量子力学的统计系综解释起源于经典统计物理学,不同之处在于量子力学用几率振幅描述微粒子,同时增加了波函数的全同对称性原理。在这种意义上,量子力学与经典统计力学是在一个层次上的理论,它不是描述单个微观粒子,而是描述大量微观粒子。
量子力学并不是只有一种解释。哥本哈根解释只是其的一种,而且可以认为是最糟糕的一种。从量子系综解释的角度,波函数描述统计系综,波函数A(x1)B(x2)+ A(x2)B(x1)中的每一项是系综里的一个系统。在不同的时刻,只能出现其中的一个系统,不可能两个系统同时存在。在现实的测量过程中,每次只能测到其中的一项,再次测量时发现另外一项。在每一项中粒子的状态是确定的,根本不存在对粒子1的测量突然改变粒子2 状态的事情。
经典统计物理学用几率描述宏观粒子,没有全同对称性。在经典统计物理学中,统计系综是一个假设的概念。它由大量的系统构成,每个系统则代表体系的一个真实的状态。这些系统具有完全相同的力学性质,其微观状态可能相同,也可能不同。当一个体系处于平衡状态时,系综的平均值是确定的。设经典统计系综描述N个宏观粒子,它的一个系统代表的一种可能的运动状态,可用3N维相空间中的一个相点来表示,由大量系统构成的系综则是相宇中大量相点的集合。随着时间的推移,各个相点分别沿各自的轨迹运动,类似于流体的流动。
用通俗的话说,系综好比一本大书,系统则是书中的一页,其中有4000个不相同的常用汉字。把这4000个汉字进行任意排列,可以得到不同的页面。所有这些页面的订在一起,就构成一本书,称为汉字系综书。在这本书里,我们不但可以找到现有图书馆的任意一本书上任意一页的内容,还可以找到未来出版的任意一本书的任意一页的内容。但任意时刻我们只能翻到其中的一页,看到某页时就看不到其他页。
量子统计系综比经典统计系综多了全同对称性原理,就好比系综书的每一页有8千个汉字,其中有4000个字是相同的。用这8000个字进行任意排列,得到更多的页面。将这些页面钉在一起,就得到一本更大的书。但也存在某种限制,比如书中不允许有文字排列完全相同的两页存在。用量子力学的语言,就是泡利不相容原理。
采用量子统计系综的看法,量子力学哥本哈根解释中出现的大部分问题都烟消云散。比如我们就根本不需要测量理论,因为波函数描述大量微观粒子,在任意时刻空间的任意点上可能都存在粒子,根本不存在测量导致波函数崩塌的问题,所谓的量子纠缠问题也是根本不存在的。
量子力学除了哥本哈根解释,还有埃弗雷特提出的多世界解释。该解释则认为存在平行宇宙,每个宇宙用不同的波函数表示。它们都是真实的存在,但任何事情只能在其中的一个宇宙中发生。在测量过程中,初始状态波函数描述的宇宙“分裂”成许多个相互不可观测的宇宙分支。不断测量导致宇宙不断分裂,最后出现无穷多的宇宙分支。
显然,多世界解释只是系综解释的变种,它的每个宇宙分支就是系综里的一个系统。不同的是,系综解释认为系综内的每个系统不可能同时存在。而多世界理论认为,测量产生的分支宇宙是平行的,因此一个人可以在不同的分支宇宙中存在。多世界解释是为了摆脱哥本哈根解释而生,但它导致新的问题,宇宙分裂的荒诞性自不必多言。
从物理学的合理性和传承性方面,量子力学的系综解释才是真正合理的。事实上量子统计力学早就自成体系,已经发展成一门严谨而庞大的学科。量子统计系综的运动方程与经典统计系综的运动在形式上都是完全一样的,量子力学只是描述纯态的系综理论,量子统计力学则描述混合态系综。因此作者劝那些不遗余力地鼓吹哥本哈根解释,相信超时空距离传输和量子纠缠的学者,先去读懂量子统计物理学,不要无知而无畏。
五 薛定谔猫徉谬和量子消相干
量子力学薛定谔方程的提出者,薛定谔不但不接受哥本哈根解释,还提出著名的薛定谔猫徉谬,薛定谔嘲笑哥本哈根解释,用纠缠态比喻一只猫,处于不可理喻的半死半活状态。
猫徉谬其实是一个讽刺,一个假命题,但现在有些人却当真。猫是宏观物体,没有全同性,世界上没有两只完全一样的猫。因此猫的波函数不能写成全同对称性叠加的方式,就没有所谓的纠缠态,薛定谔猫徉谬将宏观物体与微观物体混肴。
量子力学的哥本哈根解释认为量子力学描述单个微观粒子,而量子力学在本质上是一个统计理论。它只描述大量微观粒子的统计系综,不描述单个微观粒子。按照统计系综解释,我们可以说一个系统中有许多猫,其中一部分是死的,一部分是活的,就不会有任何矛盾。
目前已经在实验上实现了一些所谓宏观猫,似乎证明的确存在活猫和死猫的纠缠状态。然而这些实验中所涉及的都不是真正的宏观态,而是多粒子多能级的系统。比如被捕陷与离子阱内的硼同位素离子,它们仍然是微观粒子组成的系统,具有全同对称性,而不是真正的宏观猫。
按正统量子力学的看法,微观粒子有二重性,即是粒子又是波,说明微观粒子是非定域的。为了解决如何从微观的非定域状态变成宏观的定域状态,量子力学引入消相干作用。认为量子系统与环境存在的相互作用导致消相干,使我们在宏观过程中看不到微观粒子的相干性。这种看法有其道理,量子干涉有时确实很脆弱,稍不小心就会使相干态消失。然而情况也并不总是这样,最明显的例子就是,自由平面光波本来强度分布均匀,与狭缝相互作用后导致干涉条纹分布。
所谓的非定域性起源于对波函数的本质和纠缠态的误解,量子相干性的本质是微观粒子的全同对称。用统计方法计算物理量的平均值时,量子力学的计算结果与经典力学的计算结果一般是不一样的。量子相干性是一种统计性质,而不是单个粒子的瞬时行为。
比如对于宏观物质气体和固体的比热,实验测量结果证明用量子理论计算比用经典理论计算精确,超出经典理论的部分就是量子相干性的结果。这种量子相干效应稳定存在,并没有因为是宏观物体而消失。又比如气体玻色子凝结,量子超流现象,约瑟夫结超导环,以及低温和高温超导现象等都是宏观量子现象,量子相干性在其中起作用。我们需要将导体放在液氦或液氮中才能产生超导现象,恰恰是这种低温环境造就了相干性。环境因素的存在并没有消相干,而是量子相干效应存在于环境中。
问题也取决于以什么基本单元来描述系统,如果以原子和分子为基本单元,由于存在全同对称性,系统就一定有量子相干性。如果以沙子或金属球为基本单位,由于没有全同性,系统就没有相干性,也就不存在消相干的问题。但单个沙子和金属球的某些性质中包含了量子相干性,比如它们热力学和电磁学参数。
综上所述,所谓的量子纠缠态实际上是微观粒子全同性的结果。由于微观粒子不可区分,才产生所谓的相互纠缠。物理学家没有正确认识微观粒子的全同性与纠缠态的关系,才导致微观粒子间存在鬼魅纠缠的误解。
量子力学的本质是统计理论,它与经典宏观粒子统计方式是不同的。量子力学中,真实的物理量用算符对波函数的期望值来表示。将多粒子波函数写成线性叠加的形式,是为了满足这种量子统计的要求。真实的世界中不存在超时空的非定域相互作用过程,物理学家对量子纠缠态做过多的解读。把量子纠缠态理论引伸到宏观世界,声称可以隔空传输宏观物体,则更是荒谬可笑的无稽之谈。
六.贝尔不等式不成立的真正原因
有许多人认为爱因斯坦反对量子力学,其实根本不是这么回事。爱因斯坦提出光子的量子理论,是量子力学的开创者。爱因斯坦反对的是量子力学的哥本哈根解释,他与波尔就量子力学本质争论到死,从不妥协。他与波多尔斯基和罗森提出的EPR佯谬,试图证明量子力学不完备,哥本哈根解释是错的。
爱因斯坦之所以说量子力学不完备,是因为他认为量子力学是统计理论,描述的是大量的微观粒子,而不是单个微观粒子。在统计理论的背后,应当还有一套描述单个微观粒子的确定性理论。这就像经典统计物理学理论的背后,是牛顿动力学理论,可以确定性地描述单个粒子。
爱因斯坦与波尔的争论,促使玻姆提出的隐变量理论。在此基础上,贝尔于1964年提出贝尔不等式,可以用实验来进行检验量子力学的背后是否存在隐变量。从上个世纪七十年代起,大量的实验证明贝尔不等式不成立。因此目前物理学家普遍认为,实验判定爱因斯坦错了,隐变量不存在。量子力学被认为具有非定域性,在其背后不可能有更深层的确定性描述理论,描述单个微观粒子。
然而早就有人指出,贝尔推导贝尔不等式时,用到的是经典统计方法。然而众所周知,经典统计方法不适合于微观粒子。量子力学采用的是几率波振幅的叠加方法,而经典统计方法采用的是几率的叠加方法,二者有本质的不同。原因在于微观粒子具有全同对称性,经典宏观粒子没有全同对称性。因此推导贝尔不等式的前提是错的,实验证明贝尔不等式不成立是自然的,没有什么可奇怪。如果实验证明贝尔不等式成立,等于证明微观粒子满足经典统计规律,那才奇怪呢。
因此尽管实验证明贝尔不等式不成立,但并没有证明隐变量不存在。量子力学并没有被证明具有非定域性,确定性和定域性是一个科学理论合理性的两个要素。量子力学作为一个统计性的理论,在其背后是否还存在更深层的规律,支配单个微观粒子的运动,仍然是一个有待探索的问题。事实上,在高能加速器中,微观带电粒子都是按确定性理论(狭义相对论力学)预言的轨道运动的,谁能说微观粒子没有确定的运动轨道呢?(2018-04-22梅晓春原创物理 )
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