內(nèi)容提要：本文提出一個(gè)用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)量子測(cè)量是否需要“主觀的介入”的建議；
并預(yù)言實(shí)驗(yàn)將得出意外的結(jié)果：測(cè)量不會(huì)導(dǎo)致量子退相干。

　　關(guān)鍵詞：雙縫衍射實(shí)驗(yàn)；
跟蹤電子；
量子退相干；
費(fèi)曼；
馮·諾伊曼

　　在《費(fèi)曼物理學(xué)講義III》一書的第一章中，作者以“量子行為”為標(biāo)題，詳細(xì)考察了雙縫衍射實(shí)驗(yàn)的“奧秘”：如果電子槍發(fā)出一束電子通過一個(gè)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(fèi)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(huì)感到神秘�！彼�還說：人們?cè)��?jīng)設(shè)想電子以各種復(fù)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(rèn)識(shí)到，理解電子的雙縫衍射實(shí)驗(yàn)的障礙原來是人們默認(rèn)了如下前提：

　　A：每一個(gè)達(dá)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(fèi)曼的意見，如果命題A成立，則有：

　　B：在兩條縫同時(shí)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(gè)衍射圖形的迭加。

　　但雙縫衍射實(shí)驗(yàn)否定了這一結(jié)論。于是費(fèi)曼斷言必須放棄命題A。

　　從這一論斷出發(fā)，費(fèi)曼構(gòu)思了一系列理想實(shí)驗(yàn)，其中之一是：如果在電子的雙縫衍射實(shí)驗(yàn)中加上一個(gè)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(gè)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(huì)重新出現(xiàn)干涉條紋。這種由于“測(cè)量”而導(dǎo)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(xué)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(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》一書中提出了或許是最早的測(cè)量理論，其核心是如下命題：

　　“觀察者在測(cè)量終結(jié)時(shí)看到儀器指針的讀數(shù)，是導(dǎo)致被測(cè)量的對(duì)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(shí)，就不可能表述一個(gè)完備的、前后一貫的量子力學(xué)的‘測(cè)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(guó)物理學(xué)家吉·路德維希則持相反的觀點(diǎn)，他拒絕“感覺”、“知識(shí)”和“意識(shí)”等用語(yǔ)出現(xiàn)在物理學(xué)中，并且把宏觀儀器看成一個(gè)處于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)的宏觀系統(tǒng)，把測(cè)量理解為宏觀儀器受到微觀系統(tǒng)的擾動(dòng)向熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)演化。因此，測(cè)量不再是“客體與主體之間的一個(gè)不可分的鏈環(huán)”，而是一個(gè)“微觀系統(tǒng)與一個(gè)宏觀系統(tǒng)之間的一個(gè)不可分的鏈環(huán)”。

　　意大利物理學(xué)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(cè)量理論，簡(jiǎn)稱為D-L-P測(cè)量理論。按照這種理論，測(cè)量之所以導(dǎo)致量子態(tài)相干性的消失，是被觀測(cè)的微觀系統(tǒng)自身經(jīng)歷的一個(gè)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(yáng)棄“主觀的介入”的測(cè)量理論是“退相干理論”，它把測(cè)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(dǎo)致的一個(gè)動(dòng)力學(xué)過程，即使觀察者不在場(chǎng)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(cè)量理論的觀點(diǎn)與馮·諾伊曼的觀點(diǎn)顯然是相互排斥的，能不能用實(shí)驗(yàn)來判定孰是孰非呢？

　　讓我們回到費(fèi)曼的關(guān)于觀察電子導(dǎo)致干涉條紋消失的理想實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們滿可以放置上光源而不觀察電子，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否出現(xiàn)干涉條紋就能判定測(cè)量過程是否要求“主觀的介入”了。但這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(fèi)曼的這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)不能以它原來的形式實(shí)現(xiàn)，或者說，要實(shí)現(xiàn)還得作一些技術(shù)上的改進(jìn)。在這里，我們提出如下建議。

　　考慮一個(gè)連續(xù)地發(fā)射成對(duì)電子的電子源，讓每一對(duì)電子都精確地朝相反的方向運(yùn)行（或者精確地成某一角度），從而形成相向運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)電子束R與R’�，F(xiàn)在，對(duì)其中的R進(jìn)行雙縫衍射實(shí)驗(yàn)，即讓R通過一個(gè)開有雙縫的隔板L，落在某一可以探測(cè)電子位置的屏上。同時(shí)，又讓R’中的電子飛向一個(gè)與L極對(duì)稱的另一隔板L’。這個(gè)隔板只有一條縫S，它有如下性質(zhì)：設(shè)e是R中的一個(gè)落在屏上的電子，e’是它在R’中的配偶，則當(dāng)且僅當(dāng)e越過L的第一條縫時(shí)e’會(huì)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(gè)實(shí)驗(yàn)記作T。

　　對(duì)于電子束R，實(shí)驗(yàn)T是一個(gè)雙縫衍射實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)在我們問：如果L上的雙縫同時(shí)打開，屏上的電子分布會(huì)不會(huì)呈現(xiàn)出干涉條紋。

　　如果觀察者跟蹤R’的每一個(gè)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(gè)電子經(jīng)過的是哪一條縫，從而命題A成立。按照費(fèi)曼的意見，命題B也隨之成立，從而屏上不會(huì)有干涉條紋。費(fèi)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(shí)驗(yàn)條件不變，只是觀察者不再跟蹤R’的電子，干涉條紋會(huì)不會(huì)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(huì)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(huì)消失。

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

　　現(xiàn)在我們問：實(shí)驗(yàn)T有沒有可能同時(shí)“證偽”上述兩種觀點(diǎn)呢？

　　上面提到的各種測(cè)量理論，都確認(rèn)一個(gè)前提：在實(shí)驗(yàn)T中，命題C肯定成立，而干涉條紋的消失，則起源于對(duì)電子束R’中的電子的觀測(cè)，只不過對(duì)于不同的測(cè)量理論，被觀測(cè)的電子將經(jīng)歷不同的過程。對(duì)于馮·諾伊曼測(cè)量理論來說，它是最終由于“主觀的介入”而導(dǎo)致的一個(gè)從不確定狀態(tài)過渡到確定狀態(tài)的過程；
對(duì)于D-L-P測(cè)量理論來說，它是由于被觀測(cè)的電子自身的“各態(tài)歷經(jīng)”而導(dǎo)致的一個(gè)統(tǒng)計(jì)力學(xué)過程；
對(duì)于“退相干理論”來說，它是由于“量子糾纏”而導(dǎo)致的一個(gè)動(dòng)力學(xué)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(shí)驗(yàn)T將會(huì)出現(xiàn)第三種結(jié)果：命題C不成立。換句話說，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果將是

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

　　這種結(jié)果對(duì)量子力學(xué)來說意味著什么呢？

　　費(fèi)曼曾經(jīng)把測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系表成：不可能設(shè)計(jì)出一種儀器，它能在雙縫衍射實(shí)驗(yàn)中確定電子到底是經(jīng)過哪一條縫，而同時(shí)又不擾動(dòng)干涉圖案。并且說：測(cè)不準(zhǔn)原理以這種方式“保護(hù)”著量子力學(xué)，如果誰(shuí)設(shè)計(jì)出這種破壞測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的儀器，量子力學(xué)的大廈就將倒塌。費(fèi)曼還說：量子力學(xué)就以這樣的冒險(xiǎn)而又準(zhǔn)確的方式繼續(xù)存在著。

　　因此，如果實(shí)驗(yàn)T出現(xiàn)了第三種結(jié)果F，則它所用的儀器就是費(fèi)曼所說的破壞測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的儀器、從而給量子力學(xué)帶來災(zāi)難。誠(chéng)然，在這場(chǎng)災(zāi)難中實(shí)際上倒塌的不是量子力學(xué)的形式體系，而是費(fèi)曼們對(duì)量子力學(xué)的詮釋。

　　我們預(yù)言：實(shí)驗(yàn)T肯定會(huì)出現(xiàn)結(jié)果F。理由是：在電子的雙縫衍射實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)與另一條縫的啟閉有關(guān)。從電磁學(xué)的角度來說，這一見解不難理解：電子自己有一個(gè)固有電磁場(chǎng)，開啟或關(guān)閉另一條縫，將會(huì)改變這個(gè)電磁場(chǎng)的邊界條件，從而間接改變電子的運(yùn)動(dòng)。按照這種見解，從雙縫衍射實(shí)驗(yàn)并不能得出“測(cè)量導(dǎo)致量子退相干”的結(jié)論。

　　實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)電子自旋的實(shí)驗(yàn)更容易實(shí)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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