消除相对论与量子力学深层矛盾的新进路

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1、1 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

2、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： APAx=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（AP=O）,位 置就完全不能确定（Ax=w）,位置确定了（Ax=O）,动量就完全不能确定（AP=w）。在微 观世界，任何客体的动量和位置是不能同时

3、确定的，其不确定度就由APAx=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

4、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。2 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象宏观世界 那 样严格地区分实体与虚空

5、，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。APAx=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=Ax则是通过实验观察，为微 观客体建构的“球”半径。R=l/（Ax）正是球面曲率。任何波涵数都可以从其振幅中分离出这一 曲率因子。不过，它是表观的建构，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

6、系中，坐标的不确定 量是Ax=hmOc,动量的不确定量是APO=mOc, Ax是康普顿物质波波长除以2n,它等于以波 长入为圆周的圆的半径，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，Ax0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Ax。对海森伯证明测不准关系式的光一电子对撞实验做深入分析，同样可以得出：海氏的位置 不确定量Ax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子碰上了 非质点的电子，不管碰上电子的哪一部分

7、，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Ax的根源。不过，Ax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Ax,符合测不准 关系APAx=h，Ax也是电子波的波长除以2n。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

8、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 Axn 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n2ao量度（aO是玻尔半径），由电磁作 用建构的电子“球体”的半径是Axn=na0，两者之比相差n倍。n=l，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

9、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-s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。3 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 体做理论抽象时，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

10、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作用表现出 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的存在， 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

11、（hO）,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，客体“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，对其做出合理的解释。薛定谔猫的形成，主要是在同一装置中混

12、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 成纯量子态的条件，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(hO)可以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。对EPR悖论，我们的解读也是有趣的和令

13、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

14、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

15、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el与e2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，突变只能观念上的。 如果进行力学分析，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

16、宏观的左转和右转状态，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