找寻本征态叠加的物理机制

摘要：双四维时空量子力学认为，能量量子化及量子跃迁（突变）假设，与正交归一数学物理方法，切断了相邻本征态之间的力学因果关联，并由此造成类空间隔的产生和本征态平行并存，量子叠加态有可寻的物理机制。量子测量将导致连续补偿作用的引入，相邻本征态之间力学因果关联的恢复，量子场向经典连续场的转变，双四维复时空向四维实时空的全域转换。量子态的非定域“坍缩”是在时空的全域转换中实现的。

关键词：因果关系；叠加态；机制；量子测量；非定域；坍缩

中图分类号：O413；N02文献标识码：ADOI：10.3963/j.issn.16716477.2018.03.0001

收稿日期：20180310

作者简介：赵国求（1944-），男，湖北黄梅人，华中科技大学WISCO联合实验室研究员，主要从事物理学基础、物理学哲学、中医基础理论现代科学基础等研究。

*基金项目：武汉理工大学学报（社会科学版）2018年第31卷第3期赵国求：找寻本征态叠加的物理机制

因果律，就是事物之间的因果关系。哲学家休谟认为，因果性只是人们对现象“前后相继”的感觉习惯，因果关系不过是两类事件的“恒常会合”，其必然性并不存在[1]20。康德正好相反，承认因果关系的必然性，但它是人们用来“整理”感觉经验的先天知性形式，认为因果关系是“先验必然”，“人为自然立法”[2]。恩格斯指出，因果关系具有客观物质性和客观必然性，是客观世界一切事物和现象本身所固有的；有因必有果，有果必有因，原因在先，结果在后；相互作用是它们之间联系的纽带，因果之间存在客观内在联系[3]。相互作用和时间过程与因果等价[4]。人类可以通过原因控制结果，利用其改造世界。

中国古代哲学家老子认为“道法自然”，宇宙万物规律自然而然形成，主张“天人合一”。在中国哲学家眼里，“天”就是“宇宙”，就是“大自然”，且有人的参与；同古希腊哲学家主张求真，与人分离，有自身内在逻辑与必然性的“大自然”有很大的不同[5]。我们认为“大自然”是“自身内在逻辑与必然性”及“人参与”的统一。但人不可将主观臆想肆意强加给“大自然”，人不能为自然立法。

因果律的哲学思辨进入物理认知领域，将转变为物理学描述。由于经典力学与量子力学的差异，因果性有力学因果性与统计因果性之别。力学因果性认为力是运动状态改变的原因，包括经典统计热力学，力是因，状态改变是果，具有决定论意义；量子力学统计因果性认为，波函数的时间演化是决定论的，由于波函数的统计意义，薛定谔方程的时间演化具有统计因果性，时间演化是因，概率分布状态改变是果，薛定谔方程的时间演化是决定论的[6]85。无论是经典力学还是量子力学，如果两事件之间，没有先后时序，没有相互作用，就无从谈论因果。切断两事件之间的相互作用和先后时序，就是对因果律的破坏，制造原本因果事件之间的平行并存[79]。在物理和数学中，如果两事件之间没有关联，相互作用为零，前后时序为零，那么代表两事件的矢量就相互正交。量子力学中的本征态叠加，实质上是在能量量子化的实验基础上，通过量子跃迁假设和数学方法的便利，切断诸本征态之间的相互作用和先后时序，保留运动状态，并使其同时并存的产物[1012]。

通常人们把波函数演化的U过程和R过程统一理解为三维或四维实空间的物理过程，其实是不正确的。这样，很难讨论量子态之间的因果关联。我们采用双四维时空方案对此作了修正，消除了许多认识上的混乱[8]。

一、因果律及因果律破坏与矢量正交

（一）休谟的“恒常会合”及因果与时间等价

因果关联缘于两事件之间的相互作用和先后时序。休谟“因果是经验中两个事件的恒常会合，不存在内在必然性”的观点虽然不能接受，但休谟“因果之间有先后时序”的观点却是可以被接受的，可称为“时序因果性”[1]24。它对物理学家和数学家处理物理、数学问题，尤其是量子力学问题，有重要启示意义。

（二）康德的“先验必然”及“人为自然立法”

事物之间的因果关系不是主观“约定”的产物，因果关系有其内在的客观规定性。引力、电磁力、强力、弱力是客观存在的自然力，是它们规定了世界万事万物的运动规律，人的一切活动也都要受其制约。自然界四大相互作用不是“先验”的产物。康德的“先验必然”及“人为自然立法”的观点虽然不能接受，但承认事物之间有因果关联是对的。人类可以认知大千世界万事万物的运行规律，但不能臆造，“道法自然”。

（三）因果两要素

自然现象或物理事件之间的因果关联，有两个重要因素，一是因果之间的相互作用，二是因果之间的前后时序。有相互作用就有作用过程，相互作用的存在一定包含有前后时序的存在，但前后时序的存在不一定包含相互作用的存在。休谟的“恒常会合”就属于后一种。既去掉相互作用，又截断前后时序，两事件之间就将只能平行存在，没有因果关联。在物理世界中，因果关系与相互作用、前后时序等价[6]85。

物理学家、数学家利用哲学家的思维为建立物理、数学理论服务。在物理和数学中，如果两事件平行存在，没有因果关联，则代表两事件的矢量正交。正交，相互投影为零，互不影响，相互作用为零，前后时序为零。量子力学中，能量量子化与量子躍迁假设，结合正交归一数学物理方法，为态矢量的正交操作，构造态空间创造了条件。

二、正统解释本征态叠加与测量坍缩反思

（一）冯·诺依曼量子测量公设[13]557565

量子测量公设是冯·诺依曼五大假设中的第三假设。将波函数ψ（x）按A的正交归一的本征函数系ψn（x）展开，有ψ（x）=∑ cnψn（x），对状态ψ（x）进行力学量A的测量，若A为力学量A的算符，则Aψn（x）=anψn（x），ψn（x）为A的本征函数系，an为A的本征值系。测量完毕后，ψ（x）相应突变坍缩到属于本征值ak的本征态ψk（x）。单次测量中所得力学量A的值，必须随机地属于an中的一个ak ，多次重复测量得ak的相应概率为丨ck丨2。