量子非定域性及其哲學(xué)意義

1、科學(xué)哲學(xué)量子非定域性及其哲學(xué)意義吳國林量子力學(xué)自誕生以來已取得了巨大成功,但是,國內(nèi)外圍繞量子力學(xué)所展開的哲學(xué)爭論并沒有停下來。20世紀(jì)80年代末以來,量子力學(xué)的研究,特別是量子隱形傳態(tài)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)取得成功,以及量子信息理論的興起,對微觀世界的關(guān)鍵概念非定域性帶來了新的哲學(xué)啟示,本文就此展開相關(guān)討論。一1935年愛因斯坦、波多爾斯基和羅森(以下簡稱EPR 在物理評論發(fā)表論文能認(rèn)為量子力學(xué)對物理實(shí)在的描述是完備的嗎?,開創(chuàng)了研究定域性與非定域性的先河。1964年,貝爾(J.S .Bell 基于定域?qū)嵲谡摵陀须[變量存在,得到了自旋相關(guān)度的不等式貝爾不等式,并得到貝爾定理:定域隱變量理論不能完全重現(xiàn)量

2、子力學(xué)的全部預(yù)言。1989年,Greenberger 、Horne 和Zeilinger (簡稱GHZ 研究3個(gè)1/2自旋粒子組成的GHZ 態(tài)的一種量子糾纏性質(zhì),得到了GHZ 定理。該定理以等式的形式一種確定的非統(tǒng)計(jì)性方式暴露出量子理論與定域?qū)嵲谡撝g的不相容性。(張永德,第106頁1990年,牟民證明,隨著處于糾纏態(tài)的粒子數(shù)的增加,經(jīng)典關(guān)聯(lián)和量子關(guān)聯(lián)之間的差別會指數(shù)地加大,或者說,量子力學(xué)違背貝爾不等式的程度隨粒子數(shù)指數(shù)地增加。(Mer m in,p.651993年,哈代針對兩粒子糾纏態(tài)提出了一種無不等式的概率型貝爾定理。1994年,哥德斯坦證明,對于所謂的哈代態(tài),以非零概率給出了量子理論與

3、經(jīng)典定域?qū)嵲谡摰南嗷ヅ懦獾慕Y(jié)果。(Goldstein,p.19512001年,加比洛提出了更為理想的無不等式的貝爾定理,即加比洛定理:對于由兩個(gè)貝爾基構(gòu)成的最大糾纏態(tài),存在一組力學(xué)量,對這組力學(xué)量的測量,量子理論將以確定的方式給出與經(jīng)典定域?qū)嵲谡撓嗷ヅ懦獾慕Y(jié)果。(Cabell o,p.010403GHZ 定理、哈代定理和加比洛定理都得到了實(shí)驗(yàn)的支持,它們從等式的角度揭示了經(jīng)典定域性與量子理論之間的不相容性,是對貝爾定理的重要推進(jìn),它們闡明:量子系統(tǒng)存在量子非定域性。我們稱這種非定域性為貝爾非定域性。張永德教授還稱之為關(guān)聯(lián)非定域性或糾纏非定域性。(張永德,第117頁90年代之后,量子信息論利用貝

4、爾非定域性進(jìn)行量子信息的處理與傳遞,其中量子隱形傳態(tài)、量子糾纏交換、開放目的隱形傳態(tài)等關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)取得成功。2000年,著名量子信息專家本內(nèi)特和狄維尼諾在自然雜志上評述道,量子信息理論已開始將量子力學(xué)與經(jīng)典信息結(jié)合起來,成為一門獨(dú)立的學(xué)科,這意味著量子非定域性得到了現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。二在EPR 論文中,EPR 給出了“定域性假設(shè)”:“由于在測量時(shí)兩個(gè)體系不再相互作用,因而,對09第一個(gè)體系所能作的無論什么事,其結(jié)果都不會使第二個(gè)體系發(fā)生任何實(shí)在的變化。這當(dāng)然只不過是兩個(gè)體系之間不存在相互作用這個(gè)意義的一種表述而已?！?Einstein,Podolsky &Rosen,p.779EPR 關(guān)于“定域

5、性”的涵義是從相互作用角度來認(rèn)識的,這也是物理學(xué)界的一種共識。張永德教授等認(rèn)為,一個(gè)相互作用物理過程,如果它的進(jìn)行依賴于時(shí)空變數(shù)并且只和當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐臅r(shí)空變數(shù)(至多包含無限小鄰域有關(guān),就稱它為定域的物理過程。(張永德等,第9頁定域性的英文是l ocality,英英詞典解釋道:在空間中占有一位置的事實(shí)或性質(zhì)。這與位置的可分隔性相聯(lián)系。非定域性的英文是nonl ocality,由前綴non 2與l ocality 構(gòu)成,non 2表示“非”、“不”、“無”的涵義。non 2區(qū)別出不屬于主干所示類型的事物。從詞義來看,非定域性表示與定域性的“非”、“不”、“無”的這樣一種性質(zhì),即是說,“非定域性”應(yīng)作“

6、定域性”的“否定性”理解。非定域性表示沒有“定域性”那樣一種性質(zhì)?？偟恼f來,量子理論的非定域性有多種表現(xiàn):(1量子測量的非定域性。目前,測量導(dǎo)致的坍塌主要是從消相干角度展開,而消相干過程是由被測系統(tǒng)與環(huán)境的量子糾纏導(dǎo)致的,或是由測量系統(tǒng)內(nèi)部的自由度之間所存在的量子糾纏所導(dǎo)致的,其實(shí)質(zhì)是量子糾纏。(2量子理論的空間非定域性,即是關(guān)聯(lián)型非定域性。一種物理量,或是一種相互作用,它不僅取決于所在時(shí)空的變量,而且還取決于另一時(shí)空(特別是類空關(guān)系的變量。比如,EPR 態(tài)關(guān)聯(lián)、量子糾纏等。這類空間非定域性的本質(zhì)還是量子糾纏。已有學(xué)者證明,貝爾型空間非定域性或關(guān)聯(lián)型非定域性等價(jià)于量子糾纏。(Chen et a

7、l,p.0308102(3空間拓?fù)涞姆瞧椒残再|(zhì)導(dǎo)致的量子非定域性。比如,量子力學(xué)的AB 效應(yīng),其矢勢A 具有非定域性質(zhì),這是時(shí)空的非平凡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。(4與自旋相聯(lián)系的空間的非定域性。如粒子的自旋態(tài)(電子的自旋等,并不直接依賴于時(shí)空結(jié)構(gòu),而只依賴于旋量方程的旋量結(jié)構(gòu),也是一種量子非定域性質(zhì)。(5空間波函數(shù)的扁縮。量子態(tài)的波包扁縮是全空間的波包扁縮,而不是局部變化,這是空間波函數(shù)扁縮的非定域性質(zhì)。波函數(shù)的扁縮有多種原因,如由于測量導(dǎo)致,或由于量子信息的衰減等。(6非定域的相互作用。比如,費(fèi)曼的路徑積分理論,對非相對論量子力學(xué)來說,所有路徑可以區(qū)分為遵守相對論性定域因果律的,不遵守相對論性定域因

8、果律的。這些不遵守定域律的路徑來自于量子漲落,導(dǎo)致了空間非定域性。玻姆提出的隱變量量子理論,其動(dòng)力學(xué)方程仍然具有因果性,但其中的量子勢產(chǎn)生了非定域性,每一個(gè)微觀粒子不僅受到經(jīng)典勢的作用,還受到量子勢的作用。喬治梅森大學(xué)的卡法托斯與納迪奧兩人提出了三種類型的非定域性:定域性1是空間非定域性,定域性2是時(shí)間非定域性,定域性3是時(shí)空整體定域性。他們認(rèn)為,空間非定域性表現(xiàn)在貝爾實(shí)驗(yàn)中,是指越過類空區(qū)域(甚至在宇宙尺度上的光子糾纏。在惠勒的延遲選擇實(shí)驗(yàn)中,直到延遲選擇做出之后,光子的路徑才被觀測。這就是說,光子的路徑是實(shí)驗(yàn)選擇的函數(shù),這里表現(xiàn)的是時(shí)間非定域性。時(shí)空整體非定域性表現(xiàn)在空間非定域性與時(shí)空非定

9、域性的互補(bǔ)特點(diǎn)上,時(shí)空整體非定域性存在于時(shí)空構(gòu)架之外。他們認(rèn)為,時(shí)空整體非定域性不可能被實(shí)驗(yàn)直接證實(shí)。(Kafat os &Nadeau,pp.125-129定域性3表明了不可分的宇宙的整體性?？紤]以上情形,我們把非定域性(即量子非定域性定義為:在量子相干尺度內(nèi),一個(gè)微觀系統(tǒng)的性質(zhì)不僅與所在局域的時(shí)空性質(zhì)有關(guān),而且也與另一處于類空間隔的微觀系統(tǒng)的性質(zhì)或時(shí)空的性質(zhì)有關(guān)。這意味著,如果兩個(gè)微觀系統(tǒng)之間具有量子非定域性,那么這兩個(gè)微觀系統(tǒng)之間可能有相互作用,也可能沒有相互作用,但一定有某種相互關(guān)聯(lián),關(guān)聯(lián)的具體方式需要自然科學(xué)的詳盡研究。我19量子非定域性及其哲學(xué)意義們需要說明兩個(gè)概念:非定域

10、性反映的是微觀事物之間的關(guān)聯(lián)的一種性質(zhì),而非定域關(guān)聯(lián)是指微觀事物之間的非定域的關(guān)聯(lián)方式,非定域關(guān)聯(lián)的性質(zhì)就是非定域性,這兩個(gè)概念實(shí)質(zhì)上是同一事態(tài)的不同表達(dá)而已。三非定域性包括關(guān)聯(lián)型非定域性、空間拓?fù)湫头嵌ㄓ蛐缘?而關(guān)聯(lián)型非定域性是研究非定域性的主流,我們僅就關(guān)聯(lián)型非定域性討論其哲學(xué)意義。第一,非定域性是微觀物質(zhì)的根本性質(zhì)。微觀事物以非定域方式存在。非定域性深刻揭示了事物之間具有普遍聯(lián)系。從貝爾不等式(含CHSH 不等式的推導(dǎo)可以看出,貝爾不等式并不依賴于隱變量,隨機(jī)變數(shù)僅是數(shù)學(xué)表述形式上的東西,也就是說,貝爾不等式主要在于檢驗(yàn)量子力學(xué)與定域性之間的不一致,檢驗(yàn)的是定域?qū)嵲谡?而沒有檢驗(yàn)是否存在

11、隱變量。80年代末和90年代以來有關(guān)量子力學(xué)與量子信息理論的一系列實(shí)驗(yàn)(如量子隱形傳態(tài)等明確告訴人們:經(jīng)典定域性與量子理論之間存在不相容性。量子力學(xué)的形式體系預(yù)見了類空分隔區(qū)域的粒子之間的關(guān)聯(lián)具有可能性。非定域性有多種形式,非定域性是客觀的、真實(shí)的。非定域性是一種重要的資源。非定域關(guān)聯(lián)不受距離影響或是不衰減的;非定域關(guān)聯(lián)的程度是有差距的;非定域關(guān)聯(lián)具有私人性,依賴于歷史。狹義相對論以光子運(yùn)動(dòng)所形成的光錐作為事件因果聯(lián)系的邊界,顯然,這是經(jīng)典力學(xué)的要求,并沒有合理的理由將它推廣到量子世界。量子力學(xué)與相對論所處理的對象是兩個(gè)不同層次的物理問題。相對論僅僅揭示經(jīng)典聯(lián)系,而且相對論的因果聯(lián)系僅是更普遍

12、聯(lián)系中的一種形式,不能以沒有因果聯(lián)系來排斥其他聯(lián)系的存在。非定域性表明相對論僅是一定范圍內(nèi)的科學(xué)理論,除了因果聯(lián)系之外,事物還有多種其他聯(lián)系。通過引入量子事件,我們可以說明量子事件之間的因果性(見后。第二,非定域性具有實(shí)在性、獨(dú)立性與轉(zhuǎn)移性,它可以創(chuàng)生,也可以消滅。如果我們把量子糾纏作為非定域關(guān)聯(lián)的實(shí)質(zhì),那么,非定域關(guān)聯(lián)就具有獨(dú)立性與轉(zhuǎn)移性。在量子糾纏交換(quantu m s wapp ing 中,如果粒子1與粒子2之間有EPR 關(guān)聯(lián)(非定域性,粒子3與粒子4之間有EPR 關(guān)聯(lián),當(dāng)我們對粒子2與粒子3之間用貝爾基測量時(shí),即投影到EPR 關(guān)聯(lián)上,那么,粒子1與粒子4之間必然瞬間處于EPR 關(guān)聯(lián)

13、,即粒子1與粒子4之間具有非定域性。這就是說,粒子之間的非定域性發(fā)生了轉(zhuǎn)移。可見,非定域性具有獨(dú)立性、客觀性,反映了粒子之間的某種客觀聯(lián)系。要使兩個(gè)微觀粒子之間具有非定域關(guān)聯(lián),可以通過相互作用來產(chǎn)生。比如,用聯(lián)合貝爾基進(jìn)行直接測量就可以得到非定域性。也可以通過無直接相互作用(例如量子糾纏交換實(shí)驗(yàn)來產(chǎn)生。量子客體具有非定域性,通過測量其中一個(gè)粒子,就可以使粒子具有的非定域性轉(zhuǎn)化為定域性,即量子客體轉(zhuǎn)化為經(jīng)典客體。量子非定域性的實(shí)在性也表現(xiàn)在量子算法與量子計(jì)算之中。從量子算法與量子計(jì)算來看,波函數(shù)(或幾率幅都具有物理實(shí)在的意義,波函數(shù)描述了微觀物質(zhì)(量子系統(tǒng)的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)(演化性質(zhì),微觀客體的運(yùn)動(dòng)具

14、有可逆性。量子計(jì)算充分利用了微觀物質(zhì)的非定域性。微觀物質(zhì)非定域性表明,微觀客體既在這里,又在那里,這是量子并行計(jì)算的根本基礎(chǔ),它不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算。這充分體現(xiàn)了亦此亦彼的辯證邏輯。非定域性的實(shí)在性體現(xiàn)在波函數(shù)之中。波函數(shù)描述了量子實(shí)在。從薛定諤波動(dòng)方程來看,波函數(shù)的演化具有因果性,但實(shí)質(zhì)上波函數(shù)具有非定域性。當(dāng)人們對一個(gè)粒子的空間波函數(shù)進(jìn)行某種測量時(shí),測量坍縮將導(dǎo)致空間波函數(shù)的改變。這是涉及整個(gè)空間分布的改變,而不是局域的變化和局域變29哲學(xué)研究2006年第9期化在空間中的傳播。我們認(rèn)為,當(dāng)量子糾纏確認(rèn)為一種客觀性關(guān)聯(lián),并且作為量子算法和量子計(jì)算的根本性基礎(chǔ)時(shí),有關(guān)波函數(shù)的實(shí)在性論爭就

15、應(yīng)當(dāng)告一段落了;波函數(shù)就是微觀實(shí)在與量子信息的統(tǒng)一,波函數(shù)表達(dá)的幾率波的實(shí)在性質(zhì)不同于經(jīng)典力學(xué)的粒子和波的實(shí)在性質(zhì)。在開放目的的隱形傳態(tài)中,反映微觀事物性質(zhì)的量子信息以非定域的方式聯(lián)合存儲于幾個(gè)不同的空間位置上。所謂開放目的隱形傳態(tài),是指一個(gè)未知的單光子態(tài)將會被傳送到一個(gè)N 粒子的相干疊加態(tài)上,通過對其中任意的N -1個(gè)粒子做一定方向的投影測量,被傳遞的未知量子態(tài)就可以在剩下的那一個(gè)粒子中讀出來。由于N -1個(gè)粒子的投影測量是任意的,因此,被傳送的未知量子態(tài)可以在N 個(gè)粒子的任何一個(gè)粒子上被讀出。設(shè)有一個(gè)未知粒子1的狀態(tài)為|<>|0>1+|1>1,另有粒子2、粒子3、粒

16、子4和粒子5處于四粒子GHZ 糾纏態(tài)。為將未知粒子1傳遞到粒子2、3、4或粒子5中的任意一個(gè)粒子上,我們對粒子1和粒子2進(jìn)行貝爾基測量。當(dāng)對粒子1與粒子2進(jìn)行貝爾基測量后,未知粒子1的系數(shù)(即量子信息與就瞬間傳遞給三粒子態(tài)上,這三個(gè)粒子可能以類空方式關(guān)聯(lián)。比如當(dāng)粒子1與粒子2處于態(tài)|<+>12,則粒子3、4和5處于|>345=1/2(|0>3|0>4|0>5+|1>3|1>4|1>5態(tài)。顯然,量子信息與已經(jīng)按照空間非定域的方式被聯(lián)合存儲于三個(gè)地方。中國科技大學(xué)潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的小組已于2004年成功完成了五粒子糾纏態(tài)以及終端開放的量子態(tài)隱形傳

17、輸?shù)膶?shí)驗(yàn)。(Zhao Zhi et al .,pp.54-58可見,量子信息可以被非定域存儲,它不受距離的影響,而經(jīng)典信息只能定域存儲。非定域性反映了微觀客體之間的一種超越外部時(shí)空的聯(lián)系,非定域性有不同的關(guān)聯(lián)程度差別。對于非定域關(guān)聯(lián),其實(shí)質(zhì)是糾纏。對量子糾纏程度的度量就是糾纏度。如果復(fù)合系統(tǒng)的各部分是可分離的或非糾纏的,其糾纏度量E (=0。在相對各部分的局域操作以及由經(jīng)典通信協(xié)調(diào)起來的分別對各部分局域地執(zhí)行的聯(lián)合操作下(簡記為LOCC 操作,總系統(tǒng)的糾纏度量E (不增加,因?yàn)榇藭r(shí)各部分之間的關(guān)聯(lián)是經(jīng)典的而不是量子糾纏。糾纏度是描述微觀事物非定域關(guān)聯(lián)程度的一種度量,具有一定客觀性,它由微觀事物

18、的整體關(guān)聯(lián)性質(zhì)決定,而不受局域的幺正變換、LOCC 操作等的影響。第三,非定域性是分離性與非分離性的統(tǒng)一,它可能意味著存在某種新的微觀關(guān)聯(lián)方式。1989年,研究愛因斯坦的權(quán)威霍華德教授認(rèn)為,定域作用預(yù)先假定了“可分離性”。他提出了“可分離性原理”:(1空間分離的系統(tǒng)具有它們自己的、獨(dú)特的物理狀態(tài);(2兩個(gè)或多個(gè)空間分離的聯(lián)合態(tài)由它們的分離態(tài)整體決定。(Howard,pp.224-227著名學(xué)者阿斯派克特也認(rèn)為,一對糾纏光子必定被認(rèn)為是單個(gè)的全域性客體(single gl obal object ,我們不能認(rèn)為它是由分離性的個(gè)體性客體組成,且這些個(gè)體性客體的性質(zhì)在時(shí)空中得到了很好的定義。(A s

19、 pect,p.149我們認(rèn)為,可分離性原理在于強(qiáng)調(diào)事物具有個(gè)體性,事物具有自身的質(zhì)的規(guī)定性。盡管各子系統(tǒng)糾纏在一起形成了聯(lián)合態(tài),而不能單獨(dú)存在,這些子系統(tǒng)也應(yīng)當(dāng)看作是處于聯(lián)合態(tài)中的子系統(tǒng),有自己的質(zhì)的存在性,即子系統(tǒng)具有相對的分離性,因?yàn)?聯(lián)合態(tài)在一定的條件下是可以轉(zhuǎn)化的,通過轉(zhuǎn)化顯現(xiàn)出子系統(tǒng)的分離性。不可分離性僅反映了量子非定域性的某一部分性質(zhì)。因此,非定域性是分離性與非分離性的統(tǒng)一。愛因斯坦的定域性條件實(shí)質(zhì)在于要求事物有自身的質(zhì),受其他事物的影響(如相互作用不應(yīng)超過光錐規(guī)范。但是,受其他事物的影響,除相互作用之外,在量子水平可以有量子信息的影響。比如,在量子隱形傳態(tài)(quantu m t

20、eleportati on 中,實(shí)驗(yàn)中,粒子2與粒子3處于糾纏態(tài),由于對未知粒子1與粒子2進(jìn)行貝爾基聯(lián)合測量,粒子1與粒子2發(fā)生糾纏,而粒子3具有原先粒子1的某些量子特點(diǎn)。這說明,處于量子糾纏中的粒子2與粒子3具有自己的實(shí)在狀態(tài)。否則,粒子2與粒子3又如何發(fā)生分離?粒子2與粒子1又如何發(fā)生糾纏?因此,我認(rèn)為,粒子2與粒子3具有相對的39量子非定域性及其哲學(xué)意義分離性。從內(nèi)部空間來看,粒子2與粒子3具有對稱性,具有全同性,但是,從外部時(shí)空來看,空間分離本身(實(shí)驗(yàn)上表現(xiàn)為不同的光束或量子粒子等就是對粒子1、2和3的一種外部規(guī)定,即時(shí)空規(guī)定是粒子的外部規(guī)定性,微觀粒子的自旋、偏振方向等是其內(nèi)部規(guī)定性

21、。如果把非定域性理解為沒有相互作用的非分離性,顯然很難理解處于非定域關(guān)聯(lián)的兩個(gè)子系統(tǒng)A 與B 之間可以傳遞量子信息。我們認(rèn)為,關(guān)聯(lián)型的非定域性意味著存在某種新的微觀關(guān)聯(lián)方式,這種關(guān)聯(lián)方式僅在量子力學(xué)水平才能成立。利用量子非定域性(關(guān)聯(lián)型非定域性可以瞬間傳遞量子信息。而空間拓?fù)湫头嵌ㄓ蛐匀匀皇俏⒂^客體幾率幅具有非定域性導(dǎo)致的,只是形式不同而已。當(dāng)然利用空間拓?fù)湫头嵌ㄓ蛐詿o法瞬間傳遞量子信息。如果兩個(gè)微觀客體2與3之間具有非定域關(guān)聯(lián)或量子糾纏,那么,我們就可以將一個(gè)未知量子粒子1的量子信息通過粒子2傳遞給粒子3。顯然,粒子2與粒子3之間如果沒有物理聯(lián)系,是不可能實(shí)現(xiàn)任何量子信息的傳遞的?？梢?微觀

22、粒子之間的非定域關(guān)聯(lián)是一種物理關(guān)聯(lián),是一種新的微觀關(guān)聯(lián)方式,是傳遞量子信息的通道。第四,非定域性揭示出量子信息具有獨(dú)立的哲學(xué)意義:量子信息不同于微觀物質(zhì),也不同于經(jīng)典信息。量子力學(xué)中的非定域性不僅存在,它還是一種重要的資源,形成了量子信息這一重要概念。量子信息是微觀物質(zhì)的屬性,不是量子實(shí)在,而是作為量子實(shí)在的狀態(tài)、關(guān)聯(lián)、變化、差異的表現(xiàn)。量子信息是指在量子相干長度之內(nèi)所展示的微觀事物運(yùn)動(dòng)的量子狀態(tài)與關(guān)聯(lián)方式。量子信息基于非定域關(guān)聯(lián),明顯不同于經(jīng)典信息。(參見吳國林,第32-35頁比如,經(jīng)典信息可以完全克隆,而量子信息不可克隆(no 2cl oning 。所謂量子克隆是指原來的量子態(tài)不被改變,而

23、在另一個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)完全相同的量子態(tài)。量子克隆不同于量子態(tài)的傳輸。量子傳輸是指量子態(tài)從原來的系統(tǒng)中消失,而在另一系統(tǒng)中出現(xiàn)。經(jīng)典信息可以完全刪除,而量子信息不可以完全刪除。這意味著,經(jīng)典信息的客觀性程度沒有量子信息的客觀性程度高,表明了量子信息不同于物質(zhì)與經(jīng)典信息的重要特征:物質(zhì)不能被創(chuàng)生和消滅,經(jīng)典信息可以被創(chuàng)造和消滅,而量子信息可以被創(chuàng)造但不能被完全消滅。經(jīng)典信息的傳遞不可能超光速,但是,量子信息的傳遞是超光速的。在前述的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)張三(位于粒子1處對未知粒子1(設(shè)其量子狀態(tài)為|<>|0>1+|1>1與粒子2進(jìn)行貝爾基聯(lián)合測量時(shí),粒子1的系數(shù)與(就是量

24、子信息就瞬間傳遞到粒子3(李四位于此;如果張三將自己的測量(只能通過經(jīng)典方式,如電話、電子郵件等,這里有一個(gè)經(jīng)典延遲結(jié)果告訴李四,那么,李四就可以采用相應(yīng)的幺正變換使粒子3具有粒子1的量子狀態(tài)(即量子狀態(tài)為|0>3+|1>3。顯然,沒有經(jīng)典信道,隱形傳態(tài)根本不傳送任何信息?？偟恼f來,未知粒子1的傳遞過程不違反相對論光錐規(guī)范。第五,非定域性揭示了微觀事物存在內(nèi)部時(shí)空;內(nèi)部時(shí)空具有生成性,它不同于外部時(shí)空。量子非定域性意味著微觀世界存在內(nèi)部時(shí)空。在量子力學(xué)中,完備本征函數(shù)形成了希爾伯特空間,微觀粒子是由希爾伯特空間決定的。我們把不是普通三維空間的坐標(biāo)或變量,叫做粒子的內(nèi)稟變量或內(nèi)部變量

25、。所謂內(nèi)稟或內(nèi)部,是指微觀粒子本身與普通三維空間中的運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系。普通的三維空間與一維時(shí)間就是外部時(shí)空。在經(jīng)典物理學(xué)和相對論中,用普通四維時(shí)空的位置與動(dòng)量就可以描述一個(gè)粒子的狀態(tài)。內(nèi)部時(shí)空具有生成性和過程性。因?yàn)?完備的本征函數(shù)就構(gòu)成希爾伯特空間,也就是內(nèi)部時(shí)空。量子系統(tǒng)的狀態(tài)可以潛在地用完備的本征波函數(shù)un (x 來展開,其展開有一定的任意性。不同的測量49哲學(xué)研究2006年第9期量子非定域性及其哲學(xué)意義 9 5 性質(zhì)有不同的完備本征函數(shù) , 也就會有不同的內(nèi)部時(shí)空 。即是說 , 不同的測量會生成不同的內(nèi)部時(shí)空。 內(nèi)部時(shí)空不同于外部時(shí)空 。事物既可以在外部時(shí)空運(yùn)動(dòng) , 也可以在內(nèi)部時(shí)空運(yùn)動(dòng)

26、。在一定條件 下 , 外部時(shí)空可以反映內(nèi)部時(shí)空的狀態(tài) 。比如 , 斯特恩 - 蓋拉赫實(shí)驗(yàn)表明了自旋的存在 , 即從原子的 空間分布讀出內(nèi)部狀態(tài)自旋的存在 。內(nèi)部時(shí)空決定了量子非定域性或量子糾纏 。內(nèi)部時(shí)空是微觀客體 存在的形式 , 它反映了微觀事物的內(nèi)部性質(zhì) , 它遵從海森堡不確定性原理 , 因而不能用外部時(shí)空去度 量內(nèi)部時(shí)空 。而外部時(shí)空是宏觀客體存在的形式 , 符合相對論光錐規(guī)范 。內(nèi)部時(shí)空豐富了時(shí)空存在的 形式 , 它將是對經(jīng)典外部時(shí)空 (牛頓時(shí)空與愛因斯坦的相對論時(shí)空 的重大時(shí)空革命 。 第六 , 非定域性表明事件與過程具有重要意義 。經(jīng)典事件不同于量子事件 。量子事件之間仍然具 有因

27、果性 。 1983 年和 1984 年杰瑞特將貝爾的 “ 定域性條件 ”區(qū)別為兩個(gè)在邏輯上相互獨(dú)立條件的合取 , 這 兩個(gè)獨(dú)立的條件是指 “ 定域性 ”和 “ 完備性 ” ( comp leteness , 并且論證傳統(tǒng)意義上的量子力學(xué)遵守 定域性而違背完備性 。 ( Jarrett, pp. 569 - 589 所謂合取 , 即當(dāng)合取式的各分支都為真時(shí) , 合取式才 為真 ; 只要有一個(gè)合取分支為假 , 則合取式為假 。 1986 年 , 希芒尼 ( A. Shimony 用更中性的術(shù)語 , 建議把 “ 定域性條件 ”解釋為 “ 參數(shù)獨(dú)立性 ” ( parameter independenc

28、e ; 把 “ 完備性條件 ”解釋為 “ 結(jié)果獨(dú)立性 ” ( outcome independence 。希芒尼認(rèn)為 , 所謂參數(shù)獨(dú)立性 , 是指一個(gè)子系統(tǒng)的觀測結(jié)果 獨(dú)立于另一個(gè)子系統(tǒng)測量儀器所選擇的參數(shù) ; 所謂結(jié)果獨(dú)立性 , 是指一個(gè)子系統(tǒng)的觀測結(jié)果獨(dú)立于另 一個(gè)子系統(tǒng)的測量的結(jié)果 。 杰瑞特認(rèn)為 , 貝爾定理的違背 , 原則上有兩種方式說明其原因 : 或者是違背參數(shù)獨(dú)立性 , 或者是 違背結(jié)果獨(dú)立性 。只要其中一個(gè)被違背就可以說明違背愛因斯坦的定域性或貝爾的定域性 。杰瑞特?cái)?言 , 量子力學(xué)遵守參數(shù)獨(dú)立性而違背結(jié)果獨(dú)立性 。 我們認(rèn)為 , 應(yīng)當(dāng)引入事件概念 , 以解釋量子力學(xué)違背結(jié)果

29、獨(dú)立性 。按照相對論的觀點(diǎn) , 事件就是 指某個(gè)時(shí)刻 、在某一地點(diǎn)發(fā)生的一件事情 , 即一個(gè)事件是由時(shí)空坐標(biāo)來刻劃的 。顯然 , 這里的事件是 經(jīng)典時(shí)空中的事件 。我們認(rèn)為 , 在量子力學(xué)中 , 事件除了包括時(shí)空變量之外 , 還應(yīng)包括自旋 、偏振等 內(nèi)部變量 。我們認(rèn)為 , 自旋 、偏振等確定的狀態(tài)就是量子事件 。在量子糾纏中 , 粒子之間的非定域性 主要表明為測量結(jié)果之間的關(guān)聯(lián) 。按照我們的看法 , 測量結(jié)果就是量子事件 , 量子糾纏表現(xiàn)的就是量 子事件之間的關(guān)聯(lián) 。 加拿大著名哲學(xué)家邦格認(rèn)為 , 因果關(guān)系是事件之間的一種關(guān)系 。他認(rèn)為 , 因果關(guān)系不是性質(zhì)之 間 、狀態(tài)之間的關(guān)系 , 更不

30、是理念之間的關(guān)系 , 也不是物與物之間的關(guān)系 , 因?yàn)樵蚴菦]有物質(zhì)性 的 。因果關(guān)系不是事件之間的外在關(guān)系 , 而是生成事件的一種格式 。 通過引入事件與過程 , 我們將能夠因果地說明延遲選擇實(shí)驗(yàn)的時(shí)間非定域性 。在惠勒延遲選擇實(shí) 驗(yàn)中 , 在做出延遲選擇之前 , 微觀客體既不是粒子 , 也不是波 , 而是用波函數(shù)描述的微觀實(shí)在 。一旦 人們做出延遲選擇 , 所選擇的測量儀器就參與決定了微觀客體的性質(zhì) , 微觀客體就必然從量子性存在 轉(zhuǎn)化為經(jīng)典性存在 , 要么呈現(xiàn)為粒子性 , 要么呈現(xiàn)為波動(dòng)性 。延遲選擇所選擇的儀器性質(zhì)與微觀客體 本身構(gòu)成了一個(gè)事件 A , 而延遲選擇實(shí)驗(yàn)所呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)

31、成事件 B , 顯然 , 事件 A 在本體上先于 事件 B?？梢?, 時(shí)間非定域性不可能證明現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)儀器的延遲選擇將影響宇宙的原初 。 我們認(rèn)為 , 在量子力學(xué)與量子信息理論中事件具有重要地位 , 從這一角度出發(fā) , 量子力學(xué)并不違 背事件之間的因果性 , 從而可以在延遲選擇實(shí)驗(yàn)中 , 避免現(xiàn)在的事件影響過去的事件 , 甚至人影響宇 宙之初 。 從經(jīng)典時(shí)空來看 , 非定域性并沒有拋棄實(shí)體實(shí)在概念 , 也沒有支持關(guān)系實(shí)在的終極性 。從量子時(shí) 9 6 哲學(xué)研究 2006 年第 9 期 空來看 , 波函數(shù)或幾率幅就是一個(gè)反映事件或過程的存在 。事件的連續(xù)運(yùn)動(dòng)形成了事物的過程 , 過程 成為量子力學(xué)

32、最為重要的概念 。恩格斯早就說過 : “ 世界不是既成事物的集合體 , 而是過程的集合 體 ” ( 馬克思恩格斯選集 第 4 卷 , 第 244 頁 哲學(xué)家懷特海非常重視事件與過程的作用 , 他說 : 。 “ 過程有兩種類型 : 宏觀過程和微觀過程 。宏觀過程是從已獲得的現(xiàn)實(shí)性向獲得之中的現(xiàn)實(shí)性的轉(zhuǎn) 化 ; 而微觀過程是各種條件的變化 , 這些條件純粹是實(shí)在的 , 已進(jìn)入確定的現(xiàn)實(shí)性之中 。前一過程造 成了從 現(xiàn)實(shí)的 向 純粹實(shí)在的 轉(zhuǎn)化 ; 后一過程造成了從實(shí)在的向現(xiàn)實(shí)的增長 。 未來是純 粹實(shí)在的 , 沒有成為現(xiàn)實(shí) 。 (懷特海 , 第 391 頁 過程哲學(xué)完全是一種新視角和新范式 。它堅(jiān)

33、持過程 ” 就是實(shí)在 , 實(shí)在就是過程 。從過程角度來看 , 一切存在物都不是靜止不動(dòng)的 , 也不是一成不變的 , 而 是處于永不停止的生成和發(fā)展過程之中 。 參考文獻(xiàn) 懷特海 , 2003 年 : 過程與實(shí)在 楊富斌 譯 , 中國城市出版社 。 , 馬克思恩格斯選集 1995 年 , 人民出版社 。 , 吳國林 , 2005 年 : 量子信息的本質(zhì)探究 載 , 科學(xué)技術(shù)與辯證法 第 6 期 。 張永德 , 2006 年 : 量子信息物理原理 科學(xué)出版社 。 , 張永德 等 , 2002 年 : 量子信息論 華中師范大學(xué)出版社 。 , A spect, A. , 2002, “Bell tho

34、rem: the native view of an experim entalist” in R. A. Bertlm ann & A. Zeilinger ( eds , Q uantum U n s , . Cabello, A. , 2001, “A ll versus nothing, inseparability for two observers” Phys. R ev L ett 87. , . . Chen, Z B. et al , 2003, “Unifying entanglement and nonlocality as a single concep t:

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