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(shū)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(guò)一個(gè)開(kāi)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(shuō)：人們?cè)��?jīng)設(shè)想電子以各種復(fù)雜方式繞行通過(guò)縫來(lái)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(lái)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(guò)第一條縫就是通過(guò)第二條縫。

　　按照費(fèi)曼的意見(jiàn)，如果命題A成立，則有：

　　B：在兩條縫同時(shí)打開(kāi)的條件下的衍射圖形將是在兩條縫輪流打開(kāi)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(jiàn)”每一個(gè)通過(guò)電子到底通過(guò)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(chēng)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(jiàn)可大致分成兩種類(lèi)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(shū)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(guò)渡到確定狀態(tài)的決定性因素。因此，如果不提到人類(lèi)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(jiàn)，“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(jué)”、“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(chēng)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(guò)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(guò)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(guò)程，即使觀察者不在場(chǎng)也照樣發(fā)生，其中儀器只不過(guò)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(lái)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(guò)程是否要求“主觀的介入”了。但這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)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(lái)的形式實(shí)現(xiàn)，或者說(shuō)，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(guò)一個(gè)開(kāi)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(chēng)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(guò)L的第一條縫時(shí)e’會(huì)越過(guò)縫S。這樣，從e’是否越過(guò)縫S我們就知道e通過(guò)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)�，F(xiàn)在我們問(wèn)：如果L上的雙縫同時(shí)打開(kāi)，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(guò)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(guò)的是哪一條縫，從而命題A成立。按照費(fèi)曼的意見(jiàn)，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(jiàn)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(jiàn)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(wèn)：實(shí)驗(yàn)T有沒(méi)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(guò)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(guò)程。對(duì)于馮·諾伊曼測(cè)量理論來(lái)說(shuō)，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(guò)渡到確定狀態(tài)的過(guò)程；
對(duì)于D-L-P測(cè)量理論來(lái)說(shuō)，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(guò)程；
對(duì)于“退相干理論”來(lái)說(shuō)，它是由于“量子糾纏”而導(dǎo)致的一個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)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(ài)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(shuō)，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(guò)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(lái)說(shuō)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(guò)哪一條縫，而同時(shí)又不擾動(dòng)干涉圖案。并且說(shuō)：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(shuō)：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(shuō)的破壞測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的儀器、從而給量子力學(xué)帶來(lái)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(guò)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(lái)說(shuō)，這一見(jiàn)解不難理解：電子自己有一個(gè)固有電磁場(chǎng)，開(kāi)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(jiàn)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(guò)斯特恩-革拉赫裝置的不同通道來(lái)取代電子通過(guò)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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