梅振华
相对论与量子力学的矛盾由于误解和空间维度所致
2022-12-2 12:34
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相对论与量子力学是上世纪初建立起来的现代物理学的两大支柱,其正确性也都各自得到实验和应用的验证,之间的所谓矛盾多数是由于误解造成。

说“矛盾”亦可,但我更多倾向于用“不和谐”或“不协调”来表达,因为这两种理论的建立过程在方法论上就是根本不同的,语言描述和专业术语也各持特色,产生些不和谐也在情理之中。故而,很长一段时间之后都没有学者对这里面的一些不和谐有什么不满或是大惊小怪,特别是顶级的一流理论物理学家都对此并不在意,主要学术刊物也不热衷此事。

但,不同的观念会有不同的视角,一些人就是愿意较真也是可以的,将这个矛盾鲜明地提出来也是好事,科学的发展就或是需要这样。

原本,矛盾方是由爱因斯坦本人合同其它两位共同发起的,提出了个EPR思想实验的论文,以质疑形式指出哥本哈根学派量子力学的不完备性,后由贝尔提出可以检验其是非的“贝尔不等式”,将问题推向了风口浪尖;然后不巧的是,又由阿兰·阿斯佩、约翰·弗朗西斯·克劳泽和安东·塞林格等三位新诺奖得主分别通过光量子纠缠实验并借助贝尔不等式无可辩驳地支持了哥本哈根量子力学的预测结果,让爱因斯坦及其支持者们一时目瞪口呆无言以对。由此,量子力学与相对论正式结下了梁子。

此后的评论最早由封继康1985年在《大自然探索》杂志上以“试论量子力学中的基本矛盾”为题发声;随后,Bellentine、刘郎1989年在《世界科学》杂志上以“贝尔定律:量子力学与相对论矛盾”为题提出、潘世南1989年发表在《咸宁师专学报》的以“相对论原理与量子力学基础的矛盾统一”为题,以及于学刚、刘远明在1997、1998年于《吉林师范大学(自然科学版)》、《松辽学刊:自然科学版》、《贵州社会科学》等刊物上就相对论与量子力学的关系与矛盾性议题发表讨论。

早年比较系统正规的是意大利的A·Qaruccio于1997年在他的专著中提出的,名为“On the Contradiction between Quantum Mechanics and Relativity: A Superluminal Quantum Morse Telegraph”,以及冯丹阳2006年在《自然辩证法研究》杂志上综述的“国际物理年:相对论与量子力学的基础问题专题学术研讨会”的短文。

以后,议论这个矛盾的国内外文章骆驿不绝,主要分布在2000年后的十多年,其中值得一提的是谭天荣2009年指出的联合概率运算失效的漏洞。

再后来,距当下2022年度相近的几年,相对论与量子力学的矛盾就由各自媒体发挥作用,铺天盖地的发声,将其炒作成了科普的社会热点。

他们所论的相对论与量子力学的矛盾主要分以下4点:

  1. 量子纠缠的超光速问题

  2. 空间的连续性和弯曲与引力子问题

  3. 信息守恒问题

  4. 量子力学的不完备性及偶然与必然所涉及的决定论问题

下面依次表述一下我的个人意见和态度:

第1个问题目前不能成立,因为阿兰·阿斯佩的量子纠缠实验设置的两个偏振检测器仅相距不过12米,实验没有直接对纠缠速度进行测量,而是间接地推算其超光速。关键问题是该推算是理想化的,没有将作用于检测器所需反应时间考虑进去,就此得出纠缠超光速以及具体超光的速值的结论是草率的、不负责任的和不可靠的。

第2个问题可以不存在,因为在经典量子力学那里,“量子”指的是以普朗克常数为核心的角动量的最小和不能连续取值的量子化,以及由此牵连到的如能量、质量、动量、波长、电荷、尺寸等物理量的量子化,且世间只有一个涉及量子化的普朗克常数,并不涉及空间和时间有什么量子化问题。所谓空间的量子化以及引力子是哥本哈根学派另行开辟建立的“量子场论”的观点,不能将量子场论纳入到经典量子力学中混为一谈,量子场论是至今没有得到实验和实践验证的理论构想,同基本粒子标准模型和弦理论一样尚不成熟

第3个是信息方面问题,其根本就不在量子力学的理论框架之内,只是有人拓展地认为从量子力学角度信息不可以凭空消失于黑洞。这些人是把信息与携带信息的介质混为一谈了,信息只是其载体的一种结构或分布形式或聚集状态罢了,信息的量化与不同层级的智能识别和认定相关,信息不存在守恒问题

第4个问题确实存在,但这是两个学科将自己的理论延伸并升华到哲学层面出现的世界观问题,你可以不在乎,但想认真起来也是可以的。你可以问它们为什么会冲突?你可以问世界本质上到底是有因必果的决定性的呢?还是偶然和不确定的?

对这个问题之前在不同的文题中也做过些阐述,这里再次明确表达一下个人观点:

一、该冲突不影响各自理论的正确性;

二、冲突在各自本身层面解决不了,预示着需要新的更本质的理论;

三、这种新理论的层面应该着眼于空间维度方面。量子力学的不确定性认识来源于三维空间的观测结果,而相对论则将时间纳入进来,认为时空一体,进入到了四维空间。同一物理过程或现象,站在不同的维度观察,其结果表观上自然是不同的,犹如三维的球体,在二维看来就是个圆,一维就是条直线。对双缝实验来说,量子力学认为单个光子在相同实验条件下会产生不同的干涉光斑位置的结果,有不确定性,因果关系失效。然而,在相对论看来,相同实验条件这个前提本身就有问题,因为不同的实验必然是在不同的时空点上,从高维的时空观来看,时空条件不同,实验结果不同是顺理成章的事。再者,他们不是喜欢将量子场论并入量子力学范畴吗?那么,就以量子场论思想说话:同一空间(三维)是会发生量子涨落的,就是说,空间在时间上不是均一的,这就与他们自己讲的相同实验条件的前提前后不一致、不自洽。因而,他们不接受爱因斯坦对他们量子力学的隐变量问题的指责是无理的

因此,因果关系失效只是低维的表象,在根本上更深层次,高维世界因果关系依然成立;但因果关系的成立并不意味着决定论,因为无穷多的因变量要素在概率上可以组合成更高阶无穷大的可能性,使得事物在规律性的近似的周而复始地运动同时、在细微的变化上无法等到绝对重复轮回所需的足够长的时间,量变积累引起质变,下一次的宇宙大爆炸就要来重新洗牌了。

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