譚天榮：一個檢驗量子測量理論的建議

　　內(nèi)容提要：本文提出一個用實驗檢驗量子測量是否需要“主觀的介入”的建議；
并預言實驗將得出意外的結(jié)果：測量不會導致量子退相干。

　　關(guān)鍵詞：雙縫衍射實驗；
跟蹤電子；
量子退相干；
費曼；
馮·諾伊曼

　　在《費曼物理學講義III》一書的第一章中，作者以“量子行為”為標題，詳細考察了雙縫衍射實驗的“奧秘”：如果電子槍發(fā)出一束電子通過一個開有兩條縫的隔板落在后面的屏幕上，則一方面落在屏幕上的電子呈現(xiàn)出像子彈一樣的顆粒性，另一方面屏幕上的電子的數(shù)目分布呈現(xiàn)出像水波一樣的干涉現(xiàn)象。費曼指出：電子的這種行為是“極其神秘”的，而且“你考慮的越多，就越會感到神秘�！彼�還說：人們曾經(jīng)設(shè)想電子以各種復雜方式繞行通過縫來解釋干涉現(xiàn)象，但都不成功。最后人們才認識到，理解電子的雙縫衍射實驗的障礙原來是人們默認了如下前提：

　　A：每一個達到屏幕的電子不是通過第一條縫就是通過第二條縫。

　　按照費曼的意見，如果命題A成立，則有：

　　B：在兩條縫同時打開的條件下的衍射圖形將是在兩條縫輪流打開的條件下得到的兩個衍射圖形的迭加。

　　但雙縫衍射實驗否定了這一結(jié)論。于是費曼斷言必須放棄命題A。

　　從這一論斷出發(fā)，費曼構(gòu)思了一系列理想實驗，其中之一是：如果在電子的雙縫衍射實驗中加上一個光源，放置在第一塊隔板的后面的兩條窄縫之間，使我們“看得見”每一個通過電子到底通過的是第一條縫還是第二條縫，則屏上的衍射圖形就失去干涉條紋。如果移去光源，則又會重新出現(xiàn)干涉條紋。這種由于“測量”而導致的相干性消失的現(xiàn)象被稱為“量子退相干”。

　　怎么理解量子退相干現(xiàn)象呢？量子物理學家們的意見可大致分成兩種類型。

　　一種以馮·諾伊曼為代表，他在《量子力學的數(shù)學基礎(chǔ)》一書中提出了或許是最早的測量理論，其核心是如下命題：

　　“觀察者在測量終結(jié)時看到儀器指針的讀數(shù)，是導致被測量的對象從不確定狀態(tài)過渡到確定狀態(tài)的決定性因素。因此，如果不提到人類意識，就不可能表述一個完備的、前后一貫的量子力學的‘測量理論’”。

　　按照馮·諾伊曼的這種意見，“主觀的介入”乃是量子退相干的根本原因。

　　德國物理學家吉·路德維希則持相反的觀點，他拒絕“感覺”、“知識”和“意識”等用語出現(xiàn)在物理學中，并且把宏觀儀器看成一個處于熱力學亞穩(wěn)態(tài)的宏觀系統(tǒng)，把測量理解為宏觀儀器受到微觀系統(tǒng)的擾動向熱力學穩(wěn)態(tài)演化。因此，測量不再是“客體與主體之間的一個不可分的鏈環(huán)”，而是一個“微觀系統(tǒng)與一個宏觀系統(tǒng)之間的一個不可分的鏈環(huán)”。

　　意大利物理學家丹內(nèi)里、朗格和普洛斯佩里在路德維希的工作的基礎(chǔ)上建立了一種精致的測量理論，簡稱為D-L-P測量理論。按照這種理論，測量之所以導致量子態(tài)相干性的消失，是被觀測的微觀系統(tǒng)自身經(jīng)歷的一個具有“各態(tài)歷經(jīng)”特征的過程，并不需要“主觀的介入”。

　　另一種揚棄“主觀的介入”的測量理論是“退相干理論”，它把測量過程中量子態(tài)相干性的消失理解為由于“量子糾纏”而導致的一個動力學過程，即使觀察者不在場也照樣發(fā)生，其中儀器只不過起著“記錄”的作用。

　　上述兩種測量理論的觀點與馮·諾伊曼的觀點顯然是相互排斥的，能不能用實驗來判定孰是孰非呢？

　　讓我們回到費曼的關(guān)于觀察電子導致干涉條紋消失的理想實驗。在這個實驗中，我們滿可以放置上光源而不觀察電子，從實驗結(jié)果是否出現(xiàn)干涉條紋就能判定測量過程是否要求“主觀的介入”了。但這個實驗說起來容易做起來難，電子那么小，想在光的照耀下跟蹤它，談何容易！費曼的這個理想實驗不能以它原來的形式實現(xiàn)，或者說，要實現(xiàn)還得作一些技術(shù)上的改進。在這里，我們提出如下建議。

　　考慮一個連續(xù)地發(fā)射成對電子的電子源，讓每一對電子都精確地朝相反的方向運行（或者精確地成某一角度），從而形成相向運動的兩個電子束R與R’。現(xiàn)在，對其中的R進行雙縫衍射實驗，即讓R通過一個開有雙縫的隔板L，落在某一可以探測電子位置的屏上。同時，又讓R’中的電子飛向一個與L極對稱的另一隔板L’。這個隔板只有一條縫S，它有如下性質(zhì)：設(shè)e是R中的一個落在屏上的電子，e’是它在R’中的配偶，則當且僅當e越過L的第一條縫時e’會越過縫S。這樣，從e’是否越過縫S我們就知道e通過的是L的哪一條縫。下面，我們把這個實驗記作T。

　　對于電子束R，實驗T是一個雙縫衍射實驗。現(xiàn)在我們問：如果L上的雙縫同時打開，屏上的電子分布會不會呈現(xiàn)出干涉條紋。

　　如果觀察者跟蹤R’的每一個電子，看它是否通過縫S，則觀察者就間接地知道電子束R的每一個電子經(jīng)過的是哪一條縫，從而命題A成立。按照費曼的意見，命題B也隨之成立，從而屏上不會有干涉條紋。費曼的這一結(jié)論可表成

　　C：如果觀察者跟蹤R’的電子，則干涉條紋將消失。

　　那么，如果其他實驗條件不變，只是觀察者不再跟蹤R’的電子，干涉條紋會不會消失呢？

　　馮·諾伊曼的意見是：

　　D：只要觀察者不跟蹤R’的電子，干涉條紋就不會消失。

　　路德維希的意見則剛好相反：

　　E：即使觀察者不跟蹤R’的電子，干涉條紋也會消失。

　　這樣，如果實驗T的結(jié)果是D，則路德維希的觀點是錯誤的；
如果結(jié)果是E，則馮·諾伊曼的觀點是錯誤的；
從而實驗T的結(jié)果至少會“證偽”上述兩種觀點中的一種。

　　現(xiàn)在我們問：實驗T有沒有可能同時“證偽”上述兩種觀點呢？

　　上面提到的各種測量理論，都確認一個前提：在實驗T中，命題C肯定成立，而干涉條紋的消失，則起源于對電子束R’中的電子的觀測，只不過對于不同的測量理論，被觀測的電子將經(jīng)歷不同的過程。對于馮·諾伊曼測量理論來說，它是最終由于“主觀的介入”而導致的一個從不確定狀態(tài)過渡到確定狀態(tài)的過程；
對于D-L-P測量理論來說，它是由于被觀測的電子自身的“各態(tài)歷經(jīng)”而導致的一個統(tǒng)計力學過程；
對于“退相干理論”來說，它是由于“量子糾纏”而導致的一個動力學過程。

　　除此以外，所有這些理論都要求R’的電子與其R中的配偶有某種神秘的“非定域關(guān)聯(lián)”。因此，如果愛因斯坦的“定域性原理”成立，則實驗T將會出現(xiàn)第三種結(jié)果：命題C不成立。換句話說，實驗的結(jié)果將是

　　F：即使觀察者跟蹤R’的每一個電子，從而知道了R的每一個電子到底是經(jīng)過哪一條縫，屏上仍然會有干涉條紋。

　　這種結(jié)果對量子力學來說意味著什么呢？

　　費曼曾經(jīng)把測不準關(guān)系表成：不可能設(shè)計出一種儀器，它能在雙縫衍射實驗中確定電子到底是經(jīng)過哪一條縫，而同時又不擾動干涉圖案。并且說：測不準原理以這種方式“保護”著量子力學，如果誰設(shè)計出這種破壞測不準關(guān)系的儀器，量子力學的大廈就將倒塌。費曼還說：量子力學就以這樣的冒險而又準確的方式繼續(xù)存在著。

　　因此，如果實驗T出現(xiàn)了第三種結(jié)果F，則它所用的儀器就是費曼所說的破壞測不準關(guān)系的儀器、從而給量子力學帶來災難。誠然，在這場災難中實際上倒塌的不是量子力學的形式體系，而是費曼們對量子力學的詮釋。

　　我們預言：實驗T肯定會出現(xiàn)結(jié)果F。理由是：在電子的雙縫衍射實驗中，命題B不成立并不表明命題A不成立，而是表明電子通過某一條縫的運動與另一條縫的啟閉有關(guān)。從電磁學的角度來說，這一見解不難理解：電子自己有一個固有電磁場，開啟或關(guān)閉另一條縫，將會改變這個電磁場的邊界條件，從而間接改變電子的運動。按照這種見解，從雙縫衍射實驗并不能得出“測量導致量子退相干”的結(jié)論。

　　實驗T可以有各種變形，例如用電子通過斯特恩-革拉赫裝置的不同通道來取代電子通過不同的縫，這樣，被觀測的物理量就不再是電子的位置而是電子的自旋�；蛟S，這種觀測電子自旋的實驗更容易實現(xiàn)。

　　我在等待大自然的裁決。

　　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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