找尋本征態(tài)疊加的物理機(jī)制

摘要：雙四維時(shí)空量子力學(xué)認(rèn)為，能量量子化及量子躍遷（突變）假設(shè)，與正交歸一數(shù)學(xué)物理方法，切斷了相鄰本征態(tài)之間的力學(xué)因果關(guān)聯(lián)，并由此造成類空間隔的產(chǎn)生和本征態(tài)平行并存，量子疊加態(tài)有可尋的物理機(jī)制。量子測量將導(dǎo)致連續(xù)補(bǔ)償作用的引入，相鄰本征態(tài)之間力學(xué)因果關(guān)聯(lián)的恢復(fù)，量子場向經(jīng)典連續(xù)場的轉(zhuǎn)變，雙四維復(fù)時(shí)空向四維實(shí)時(shí)空的全域轉(zhuǎn)換。量子態(tài)的非定域“坍縮”是在時(shí)空的全域轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)的。

關(guān)鍵詞：因果關(guān)系；疊加態(tài)；機(jī)制；量子測量；非定域；坍縮

中圖分類號(hào)：O413；N02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3963/j.issn.16716477.2018.03.0001

收稿日期：20180310

作者簡介：趙國求（1944-），男，湖北黃梅人，華中科技大學(xué)WISCO聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研究員，主要從事物理學(xué)基礎(chǔ)、物理學(xué)哲學(xué)、中醫(yī)基礎(chǔ)理論現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)等研究。

*基金項(xiàng)目：武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版）2018年第31卷第3期趙國求：找尋本征態(tài)疊加的物理機(jī)制

因果律，就是事物之間的因果關(guān)系。哲學(xué)家休謨認(rèn)為，因果性只是人們對現(xiàn)象“前后相繼”的感覺習(xí)慣，因果關(guān)系不過是兩類事件的“恒常會(huì)合”，其必然性并不存在[1]20?？档抡孟喾?，承認(rèn)因果關(guān)系的必然性，但它是人們用來“整理”感覺經(jīng)驗(yàn)的先天知性形式，認(rèn)為因果關(guān)系是“先驗(yàn)必然”，“人為自然立法”[2]。恩格斯指出，因果關(guān)系具有客觀物質(zhì)性和客觀必然性，是客觀世界一切事物和現(xiàn)象本身所固有的；有因必有果，有果必有因，原因在先，結(jié)果在后；相互作用是它們之間聯(lián)系的紐帶，因果之間存在客觀內(nèi)在聯(lián)系[3]。相互作用和時(shí)間過程與因果等價(jià)[4]。人類可以通過原因控制結(jié)果，利用其改造世界。

中國古代哲學(xué)家老子認(rèn)為“道法自然”，宇宙萬物規(guī)律自然而然形成，主張“天人合一”。在中國哲學(xué)家眼里，“天”就是“宇宙”，就是“大自然”，且有人的參與；同古希臘哲學(xué)家主張求真，與人分離，有自身內(nèi)在邏輯與必然性的“大自然”有很大的不同[5]。我們認(rèn)為“大自然”是“自身內(nèi)在邏輯與必然性”及“人參與”的統(tǒng)一。但人不可將主觀臆想肆意強(qiáng)加給“大自然”，人不能為自然立法。

因果律的哲學(xué)思辨進(jìn)入物理認(rèn)知領(lǐng)域，將轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢韺W(xué)描述。由于經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)的差異，因果性有力學(xué)因果性與統(tǒng)計(jì)因果性之別。力學(xué)因果性認(rèn)為力是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因，包括經(jīng)典統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)，力是因，狀態(tài)改變是果，具有決定論意義；量子力學(xué)統(tǒng)計(jì)因果性認(rèn)為，波函數(shù)的時(shí)間演化是決定論的，由于波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)意義，薛定諤方程的時(shí)間演化具有統(tǒng)計(jì)因果性，時(shí)間演化是因，概率分布狀態(tài)改變是果，薛定諤方程的時(shí)間演化是決定論的[6]85。無論是經(jīng)典力學(xué)還是量子力學(xué)，如果兩事件之間，沒有先后時(shí)序，沒有相互作用，就無從談?wù)撘蚬?。切斷兩事件之間的相互作用和先后時(shí)序，就是對因果律的破壞，制造原本因果事件之間的平行并存[79]。在物理和數(shù)學(xué)中，如果兩事件之間沒有關(guān)聯(lián)，相互作用為零，前后時(shí)序?yàn)榱?，那么代表兩事件的矢量就相互正交。量子力學(xué)中的本征態(tài)疊加，實(shí)質(zhì)上是在能量量子化的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過量子躍遷假設(shè)和數(shù)學(xué)方法的便利，切斷諸本征態(tài)之間的相互作用和先后時(shí)序，保留運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并使其同時(shí)并存的產(chǎn)物[1012]。

通常人們把波函數(shù)演化的U過程和R過程統(tǒng)一理解為三維或四維實(shí)空間的物理過程，其實(shí)是不正確的。這樣，很難討論量子態(tài)之間的因果關(guān)聯(lián)。我們采用雙四維時(shí)空方案對此作了修正，消除了許多認(rèn)識(shí)上的混亂[8]。

一、因果律及因果律破壞與矢量正交

（一）休謨的“恒常會(huì)合”及因果與時(shí)間等價(jià)

因果關(guān)聯(lián)緣于兩事件之間的相互作用和先后時(shí)序。休謨“因果是經(jīng)驗(yàn)中兩個(gè)事件的恒常會(huì)合，不存在內(nèi)在必然性”的觀點(diǎn)雖然不能接受，但休謨“因果之間有先后時(shí)序”的觀點(diǎn)卻是可以被接受的，可稱為“時(shí)序因果性”[1]24。它對物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家處理物理、數(shù)學(xué)問題，尤其是量子力學(xué)問題，有重要啟示意義。

（二）康德的“先驗(yàn)必然”及“人為自然立法”

事物之間的因果關(guān)系不是主觀“約定”的產(chǎn)物，因果關(guān)系有其內(nèi)在的客觀規(guī)定性。引力、電磁力、強(qiáng)力、弱力是客觀存在的自然力，是它們規(guī)定了世界萬事萬物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，人的一切活動(dòng)也都要受其制約。自然界四大相互作用不是“先驗(yàn)”的產(chǎn)物。康德的“先驗(yàn)必然”及“人為自然立法”的觀點(diǎn)雖然不能接受，但承認(rèn)事物之間有因果關(guān)聯(lián)是對的。人類可以認(rèn)知大千世界萬事萬物的運(yùn)行規(guī)律，但不能臆造，“道法自然”。

（三）因果兩要素

自然現(xiàn)象或物理事件之間的因果關(guān)聯(lián)，有兩個(gè)重要因素，一是因果之間的相互作用，二是因果之間的前后時(shí)序。有相互作用就有作用過程，相互作用的存在一定包含有前后時(shí)序的存在，但前后時(shí)序的存在不一定包含相互作用的存在。休謨的“恒常會(huì)合”就屬于后一種。既去掉相互作用，又截?cái)嗲昂髸r(shí)序，兩事件之間就將只能平行存在，沒有因果關(guān)聯(lián)。在物理世界中，因果關(guān)系與相互作用、前后時(shí)序等價(jià)[6]85。

物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家利用哲學(xué)家的思維為建立物理、數(shù)學(xué)理論服務(wù)。在物理和數(shù)學(xué)中，如果兩事件平行存在，沒有因果關(guān)聯(lián)，則代表兩事件的矢量正交。正交，相互投影為零，互不影響，相互作用為零，前后時(shí)序?yàn)榱?。量子力學(xué)中，能量量子化與量子躍遷假設(shè)，結(jié)合正交歸一數(shù)學(xué)物理方法，為態(tài)矢量的正交操作，構(gòu)造態(tài)空間創(chuàng)造了條件。

二、正統(tǒng)解釋本征態(tài)疊加與測量坍縮反思

（一）馮·諾依曼量子測量公設(shè)[13]557565

量子測量公設(shè)是馮·諾依曼五大假設(shè)中的第三假設(shè)。將波函數(shù)ψ（x）按A的正交歸一的本征函數(shù)系ψn（x）展開，有ψ（x）=∑ cnψn（x），對狀態(tài)ψ（x）進(jìn)行力學(xué)量A的測量，若A為力學(xué)量A的算符，則Aψn（x）=anψn（x），ψn（x）為A的本征函數(shù)系，an為A的本征值系。測量完畢后，ψ（x）相應(yīng)突變坍縮到屬于本征值ak的本征態(tài)ψk（x）。單次測量中所得力學(xué)量A的值，必須隨機(jī)地屬于an中的一個(gè)ak ，多次重復(fù)測量得ak的相應(yīng)概率為丨ck丨2。

量子力學(xué)正統(tǒng)解釋不必問及本征態(tài)疊加的物理機(jī)制。但本文的分析表明，波函數(shù)按A的正交歸一的本征函數(shù)系展開的數(shù)學(xué)操作本身，已經(jīng)包含在能量量子化及量子躍遷假設(shè)，及由此導(dǎo)致量子態(tài)平行并存的物理機(jī)制之中。本征態(tài)疊加有真實(shí)的物理機(jī)制可尋。

（二）量子測量中的U、R過程

U過程：測量坍縮前，波函數(shù)的演化（概率）是決定論的、可逆的、保持相干性的。R過程：測量引入連續(xù)作用，進(jìn)入測量坍縮，波函數(shù)的坍縮演化過程是隨機(jī)的、非線性的、不可逆的、消去相干性的，時(shí)間演化具有方向性。

（三）測量中的“主觀依賴”性

測量坍縮最終還需要觀察者的最后一瞥，微觀量子現(xiàn)象對觀察者的這種主觀依賴性一直不能為人們所接受。正統(tǒng)解釋中量子測量的UR過程同在實(shí)空間，研究表明，其值得商榷。

三、多世界解釋疊加態(tài)反思

為了解決測量坍縮帶來的諸多問題，艾弗雷特認(rèn)為正統(tǒng)解釋中的波函數(shù)坍縮是不必要的，并給出了量子力學(xué)的相對態(tài)表述，他認(rèn)為，測量儀器的狀態(tài)不能夠獨(dú)立地定義，只能相對于被測系統(tǒng)的狀態(tài)來定義。觀察者、測量儀器與被測系統(tǒng)三者形成了一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)的整體。復(fù)合系統(tǒng)疊加態(tài)的每一個(gè)“復(fù)合本征態(tài)”稱為一個(gè)世界（分支），觀察者按一定概率復(fù)制到每一個(gè)世界（分支）中。測量，讓疊加態(tài)分裂為無數(shù)個(gè)真實(shí)的平行世界（分支）；觀察，讓觀察者知道自己在哪一個(gè)世界（分支）中，并獲得觀察結(jié)果[13]595610。

艾弗雷特與德·維特的“多世界”沒有修改波函數(shù)的概率解讀和測量前的純態(tài)量子態(tài)疊加假設(shè)，因此，有如下問題值得進(jìn)一步討論：

第一，“多世界”中的波函數(shù)不是直接描述宇宙的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，而是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在時(shí)空中的概率分布。顯然，波函數(shù)描述的不是“真實(shí)世界”本身，而是“真實(shí)世界”運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的概率分布。它本質(zhì)上是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)分布函數(shù)。

第二，人在宇宙物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的概率分布函數(shù)之中，人是一個(gè)概率存在！這與經(jīng)驗(yàn)不符。人只能生活在概率為1的一個(gè)宏觀物理世界！不可能同時(shí)生活在兩個(gè)及以上的宏觀物理世界。經(jīng)驗(yàn)更表明，能量連續(xù)變化的宏觀“世界分支”，狀態(tài)不可突變，也不可能同時(shí)并存，也沒有相干性。

第三，測量導(dǎo)致波函數(shù)疊加態(tài)分裂，分裂前的波函數(shù)是數(shù)學(xué)的，分裂后的波函數(shù)如果直接描述真實(shí)物理世界，那么，測量如何將數(shù)學(xué)波轉(zhuǎn)化為物理波？儀器或我們的眼睛能夠創(chuàng)造物質(zhì)世界？多世界通過量子測量把概率波偷換成了物理波！

第四，觀察者、測量儀器和觀察對象各自都是本征態(tài)的疊加，在復(fù)雜的干涉圖像中，有無限相干性的觀察者如何能夠觀察組合在一起而有無限相干性的被測系統(tǒng)？為破解這一難題，日后甚至成了退相干解釋的起因，但是退相干解釋自身的邏輯矛盾（包括相干項(xiàng)的周期震蕩），根本幫不了多世界的忙[7]157176。

四、雙四維時(shí)空中量子疊加態(tài)的物理機(jī)制

（一）量子躍遷中相互作用及連續(xù)時(shí)序的消解及態(tài)疊加

雙四維時(shí)空量子力學(xué)中，原子中的電子除能量、動(dòng)量量子化外，微觀結(jié)構(gòu)也是量子化的（動(dòng)量量子化的必然結(jié)果）。微觀結(jié)構(gòu)、能量、動(dòng)量量子化及量子躍遷假設(shè)，必然造成量子躍遷中本征態(tài)之間相互作用的“間斷性”和量子態(tài)的“突變性”。

所以，理論上講，本征函數(shù)可看作是截?cái)?、刪除了本征態(tài)之間連續(xù)作用及狀態(tài)連續(xù)變化（時(shí)序）的波函數(shù)。本征態(tài)之間的因果關(guān)聯(lián)被切斷，沒有因果關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致本征態(tài)平行并存，并做自由運(yùn)動(dòng)。因此，是量子化和量子躍遷將微觀客體在場中的連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變成間斷的局部自由運(yùn)動(dòng)[1112]。

電子在每個(gè)能級(jí)作自由運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度v=恒量，由平面波描述。這就是本征態(tài)ψn（x）。如圖1.

圖1本征態(tài)同時(shí)并存示意圖可見，量子化是對場的相互作用及微觀客體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的真實(shí)量子“分割”。波函數(shù)ψ（x）是本征態(tài)ψn（x）的線性疊加，并伴有真實(shí)的物理過程。

原子能級(jí)可無限趨近，因此，量子“分割”可無限進(jìn)行。即便是能量、動(dòng)量連續(xù)分布的波函數(shù)，數(shù)學(xué)上也可以通過正交歸一處理，將前后狀態(tài)之間相互作用的連續(xù)性聯(lián)系截?cái)?，消解場的連續(xù)作用，切斷連續(xù)時(shí)序，保留并存的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但能量連續(xù)變化的波函數(shù)與能量、動(dòng)量量子化的波函數(shù)，其波函數(shù)相位性質(zhì)有質(zhì)的不同，后者，任意相鄰本征態(tài)之間有固定相位差存在，有相干性。

本征態(tài)之間沒有相互作用，沒有連續(xù)時(shí)序，本征態(tài)可以同時(shí)并存，具備了建立線性狀態(tài)空間和線性波動(dòng)方程的基本條件。本征態(tài)是在場的量子化中，通過正交分解，切斷因果聯(lián)系，保留作用結(jié)果，置于線性狀態(tài)空間的產(chǎn)物。

（二）狀態(tài)波函數(shù)正交分解及本征態(tài)疊加的數(shù)學(xué)表達(dá)

本征態(tài)彼此獨(dú)立、平行，是以切斷、消除量子態(tài)之間相互作用、前后時(shí)序?yàn)榇鷥r(jià)的。由于數(shù)學(xué)物理處理的方便，連續(xù)能量狀態(tài)波函數(shù)的正交分解物理意義也一樣[6，11]。波函數(shù)ψ（x）可以分解成本征態(tài)ψn（x）的線性疊加。如果ψn（x）是線性方程的解，則ψ（x）也是線性方程的解，且ψn（x）-ψn+1之間正交，具備建立多維線性空間及線性波動(dòng)方程的條件。量子力學(xué)中的疊加態(tài)及其數(shù)學(xué)物理方法的運(yùn)用有可認(rèn)知的物理過程可尋。

五、量子躍遷速度的定義與本征態(tài)之間類空間隔產(chǎn)生機(jī)理探討

假定微觀客體在線性、平直、連續(xù)時(shí)空中運(yùn)動(dòng)。由量子躍遷運(yùn)動(dòng)，自然聯(lián)想到定義躍遷速度。躍遷速度之定義：s為躍遷距離，t為躍遷時(shí)間，躍遷速度v=s/t。

（一）質(zhì)點(diǎn)模型中微觀客體的運(yùn)動(dòng)屬性

質(zhì)點(diǎn)無大小，與空間幾何點(diǎn)重合。能量、動(dòng)量量子化，量子躍遷中狀態(tài)的突變可在同一幾何點(diǎn)上發(fā)生，s=0，t=0（假設(shè)躍遷時(shí)間可忽略），Ψ1，Ψ2同時(shí)出現(xiàn)，躍遷速度v=s/t=0/0=C（常數(shù)）。理論上，常數(shù)C可以小于、等于、大于光速。由于定域因果性要求，狹義相對論約定，常數(shù)C小于等于光速。

正統(tǒng)量子力學(xué)暗示，允許微觀客體能級(jí)躍遷速度可以超過光速，超光速是微觀客體具有的基本性質(zhì)。這是量子躍遷與質(zhì)點(diǎn)模型假設(shè)附加給微觀客體的額外性質(zhì)，有人的主觀性，對應(yīng)點(diǎn)粒子模型的內(nèi)在規(guī)定性。而狹義相對論中能量連續(xù)變化，沒有能級(jí)躍遷，正好可以對應(yīng)一個(gè)定域性因果約束條件。

（二）有形微觀客體與空間非定域性

真實(shí)微觀客體肯定不是“點(diǎn)”，有形結(jié)構(gòu)加上量子躍遷，其前后狀態(tài)不能同時(shí)同在一個(gè)幾何點(diǎn)上發(fā)生，而是有一個(gè)空間分布，躍遷距離s≠0，躍遷（突變）時(shí)間仍然規(guī)定是t=0，躍遷速度v=s/t=s/0=∞，能級(jí)間能量變化“超光速”。

但是，上述能量變化“超光速”，是“有形微觀客體”不能疊加及能級(jí)躍遷時(shí)間t=0造成的。有形客體量子躍遷伴有空間間隔的突然加入，插入了類空間隔。

可見，如果微觀客體不是“點(diǎn)”，在量子躍遷假設(shè)下，量子態(tài)Ψn—Ψn+1之間，就有一個(gè)光速無法溝通的類空間隔插入，空間有了非定域性，以替代粒子不能疊加的經(jīng)典概念。但點(diǎn)模型卻把這種客觀原因造成的空間性質(zhì)的變化，主觀上變成點(diǎn)粒子能量傳播的超光速運(yùn)動(dòng)屬性，造成量子力學(xué)與相對論的不協(xié)調(diào)。主觀歸還客觀，建構(gòu)新的時(shí)空，才是消除矛盾的根本出路。

考慮微觀客體不是“點(diǎn)”，量子力學(xué)時(shí)空就不是普通的牛頓時(shí)空，也不是狹義相對論時(shí)空，而是滿足量子力學(xué)規(guī)律、合理解釋量子現(xiàn)象的新時(shí)空。它就是雙四維量子力學(xué)復(fù)時(shí)空。而雙四維復(fù)時(shí)空量子力學(xué)又稱作雙四維協(xié)變量子力學(xué)。雙四維協(xié)變量子力學(xué)可以通過采用希爾伯特狀態(tài)空間數(shù)學(xué)方法，引進(jìn)光錐圖分析類時(shí)、類光、類空空間之間的相互關(guān)系。雙四維時(shí)空量子力學(xué)與狹義相對論有內(nèi)在一致性，可以相互溝通。

雙四維時(shí)空量子力學(xué)中質(zhì)點(diǎn)模型不適用，采用場物質(zhì)球模型，物質(zhì)波是物理波，傳播在類時(shí)空間，描述微觀客體內(nèi)在場物質(zhì)的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，對應(yīng)薛定諤波動(dòng)力學(xué)。能量、動(dòng)量量子化由方程的邊界條件決定[7]157176。

點(diǎn)粒子和場物質(zhì)球是海森堡矩陣力學(xué)和薛定諤波動(dòng)力學(xué)的物理原型，雖然模型不同，描述對象相同，但場物質(zhì)球卻同時(shí)具有波粒二重屬性的優(yōu)越性。

（三）量子態(tài)的正交分解與多維狀態(tài)空間的性質(zhì)

點(diǎn)粒子模型中，量子化微觀客體在線性、平直、連續(xù)時(shí)空中運(yùn)動(dòng)，對其量子態(tài)做正交分解，多維狀態(tài)空間仍然構(gòu)成線性、平直、連續(xù)空間，空間性質(zhì)與背景空間相同。代價(jià)是微觀客體賦予了能量變化超光速屬性，與相對論矛盾。不過，討論具體問題，作物理處理時(shí)主觀認(rèn)知產(chǎn)生的超光速屬性可以舍棄。

球模型雙四維時(shí)空量子力學(xué)中，量子化微觀客體在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)，對其量子態(tài)做正交分解，雖然多維狀態(tài)空間仍是線性、平直、連續(xù)空間，但量子躍遷卻使態(tài)與態(tài)之間增加了類空間隔，狀態(tài)空間性質(zhì)發(fā)生了變化，不同于背景空間。

可見，點(diǎn)模型與球模型狀態(tài)空間物理性質(zhì)是不同的。球模型量子態(tài)在雙四維復(fù)時(shí)空，其態(tài)空間雖然有類空間隔，但物質(zhì)波卻傳播在類時(shí)空間，與相對論協(xié)調(diào)；點(diǎn)模型量子態(tài)在四維實(shí)時(shí)空，其態(tài)空間盡管沒有類空間隔，但實(shí)空間傳播的是概率波，且暗示粒子有超光速運(yùn)動(dòng)，與相對論不協(xié)調(diào)；兩類空間可以通過量子測量溝通，類空間隔和超光速運(yùn)動(dòng)是兩種模型在不同物理空間的等價(jià)表述。顯然，球模型雙四維復(fù)時(shí)空比點(diǎn)模型四維實(shí)時(shí)空描述更合理。

傳統(tǒng)點(diǎn)粒子量子力學(xué)沒有作出上述應(yīng)有區(qū)分，因而造成了許多概念混淆和理解上的混亂。希爾伯特態(tài)空間只是它們的一個(gè)共同數(shù)學(xué)應(yīng)用空間。分析表明，所謂“量子態(tài)做正交分解，構(gòu)造新的狀態(tài)空間”，其實(shí)是消解態(tài)與態(tài)之間場的相互作用，切斷態(tài)與態(tài)之間前后時(shí)序，保留其作用結(jié)果的物理數(shù)學(xué)操作。電磁場可以做到，至少引力場目前做不到，引力場的空間是彎曲的，無法直接正交分解。

（四）微觀客體能量、動(dòng)量連續(xù)變化，不存在量子躍遷假設(shè)，且采用質(zhì)點(diǎn)模型，在線性、平直、連續(xù)時(shí)空中運(yùn)動(dòng)

△s為Ψ1運(yùn)動(dòng)到Ψ2的空間距離，質(zhì)點(diǎn)無大小，與空間幾何點(diǎn)重合，幾何點(diǎn)可以無限趨近，△s→0≠0；△t為Ψ1運(yùn)動(dòng)到Ψ2的時(shí)間，△t→0≠0，速度v=△s/△t=ds/dt，這是經(jīng)典物理學(xué)中定義的即時(shí)速度。當(dāng)△s≠0，△t≠0，v=△s/△t就是經(jīng)典物理學(xué)中的普通速度（平均速度）定義。

這個(gè)空間適合描述經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，是牛頓時(shí)空或者狹義相對論時(shí)空。

（五）多世界解釋再認(rèn)識(shí)

微觀世界本征態(tài)的疊加必須借助量子躍遷假設(shè)切斷連續(xù)相互作用和連續(xù)時(shí)序?qū)崿F(xiàn)，本征態(tài)之間沒有力學(xué)因果關(guān)聯(lián)，可以突變，平行并存，并有相干性；而宏觀世界能量是連續(xù)的，不存在量子躍遷，狀態(tài)改變伴隨有連續(xù)相互作用和連續(xù)時(shí)序出現(xiàn)，宏觀“多世界”之間狀態(tài)改變有力學(xué)因果關(guān)聯(lián)，宏觀“世界分裂”不可突變，不存在平行并存，沒有相干性；同時(shí)，純態(tài)與混合態(tài)克隆演變中還有對概率系數(shù)的非線性和線性依賴關(guān)系，存在量子態(tài)能否完全克隆的問題[14]。

多世界解釋混淆了微觀“本征態(tài)”和宏觀“多世界”形成機(jī)制的本質(zhì)區(qū)別。量子躍遷造成的“平行世界”，與測量造成的“世界分裂”物理機(jī)制需要認(rèn)真討論。連續(xù)波函數(shù)的正交歸一處理，截?cái)?、刪除場的相互作用，那只是根據(jù)物理假設(shè)需要，采取的一種數(shù)學(xué)物理操作。經(jīng)驗(yàn)表明，宏觀物體或宇宙波函數(shù)只能是混合態(tài)，不是純態(tài)，沒有相干性（自動(dòng)退相干理論也從一定層面上作了佐證）。多世界解釋“測量儀器的狀態(tài)只能相對于被測系統(tǒng)的狀態(tài)來定義”的思維方式值得商榷。

六、量子物理哲學(xué)中的因果關(guān)系

（一）兩種形式的因果關(guān)系[15]

因果關(guān)系有力學(xué)因果性與概率因果性之分。在物理學(xué)中，牛頓力學(xué)、相對論力學(xué)中的因果關(guān)系，就屬于前一種。經(jīng)典熱力學(xué)中的因果關(guān)系，統(tǒng)計(jì)事件背后總有隱變量存在，因果關(guān)系也總可歸于力學(xué)因果性。由經(jīng)典力學(xué)的力學(xué)因果性導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，總可以歸于拉普拉斯式的決定論。

量子力學(xué)中的因果性，與經(jīng)典力學(xué)有質(zhì)的不同，量子力學(xué)概率事件本身沒有隱變量存在，但薛定諤方程量子概率的時(shí)間演化卻是決定論的。人們把它稱作概率因果性。量子測量中波函數(shù)的隨機(jī)坍縮，雖然與測量引入的相互作用相關(guān)，但相互作用只是使時(shí)空發(fā)生了轉(zhuǎn)換，改變了時(shí)空的性質(zhì)，相互作用并不構(gòu)成量子隨機(jī)性的直接原因。量子力學(xué)中的概率因果性與熱力學(xué)中的統(tǒng)計(jì)因果性也是根本不同的，因此，量子力學(xué)中的決定論也不可以簡單歸于拉普拉斯式的決定論[16]。

1.量子力學(xué)中的因果關(guān)系及其概率演化決定論。具體說來，量子態(tài)的第一類變化——薛定諤方程的概率幅時(shí)間演化，它是決定論的，可預(yù)測的，可逆的，保持相干性的U過程。時(shí)間演化包含兩類，一是與路徑x（t）相關(guān)的含時(shí)波動(dòng)方程，哲學(xué)上可追尋到休謨的“衡常會(huì)合——時(shí)序因果性”（哈密頓量H不顯含時(shí)間）[1]27；二是是哈密頓量H顯含時(shí)間（包含勢函數(shù)U（t））的時(shí)間演化波動(dòng)方程。

2.概率性因果關(guān)系及純態(tài)向混合態(tài)的決定論演化。量子態(tài)的第二類概率演化——測量造成波函數(shù)的坍縮。它是隨機(jī)性的、不可逆性的、非線性的、斬?cái)嘞喔尚缘腞過程。測量坍縮雖有相互作用介入，但測量出現(xiàn)的概率事件，是由量子客體自身的本性決定的。測量引入的相互作用是導(dǎo)致時(shí)空轉(zhuǎn)換的原因，不是量子概率出現(xiàn)的原因，“力學(xué)因果性”體現(xiàn)在時(shí)空的轉(zhuǎn)換上。量子態(tài)的第二類概率演化自身與力學(xué)因果性只是表觀上的聯(lián)系。這里的決定論體現(xiàn)在純態(tài)向混合態(tài)演變的時(shí)間箭頭上。

坍縮、關(guān)聯(lián)坍縮均超光速，違反相對論定域因果性。但坍縮—關(guān)聯(lián)坍縮之間沒有因果聯(lián)系，屬于同一量子事件不同平行存在部分。非定域是測量中時(shí)空（雙四維時(shí)空向四維實(shí)時(shí)空）全域同時(shí)轉(zhuǎn)換的產(chǎn)物。測量表現(xiàn)的隨機(jī)坍縮，是兩類空間轉(zhuǎn)換中波函數(shù)概率屬性的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)。

3.費(fèi)曼路徑積分中兩類因果關(guān)系的交織。費(fèi)曼路徑積分中那條經(jīng)典路徑就符合定域因果律?？梢姡砰_來看，量子力學(xué)中的因果關(guān)系，既包含有力學(xué)因果性與統(tǒng)計(jì)因果性，還有量子力學(xué)自身的定域性因果性和非定域性因果性；而決定論因果關(guān)系，則為經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)，以不同方式和內(nèi)涵所共有。

但是，除一條經(jīng)典路徑之外，幾乎所有量子漲落路徑都違背相對論性定域因果律。當(dāng)然，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果符合定域因果律。

上述幾種因果論的交織構(gòu)成了量子力學(xué)的因果論。那么，定域性和非定域性如何統(tǒng)一認(rèn)知，也是當(dāng)前協(xié)調(diào)相對論與量子力學(xué)之間深層矛盾的熱點(diǎn)。按照雙四維時(shí)空的觀點(diǎn)，非定域性是量子躍遷及時(shí)空轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的，并演變成出現(xiàn)類空間隔或類空間隔的消失，沒有經(jīng)典信息傳播，與相對論定域性沒有矛盾。

不過，費(fèi)曼傳播子光錐分析中，類空間隔區(qū)域是粒子的康普頓（Compton）波長λc=/mc，它無疑給場物質(zhì)球模型提供了理論和實(shí)驗(yàn)支持[14]。在雙四維時(shí)空協(xié)變量子理論中定義的類空間隔，正是粒子康普頓波長λc=/mc，即微觀客體的場物質(zhì)球半徑。

雙四維時(shí)空量子力學(xué)中，微觀客體結(jié)構(gòu)量子化及量子躍遷是時(shí)空非定域的根源。量子測量則導(dǎo)致連續(xù)補(bǔ)償作用的引入，球模型到點(diǎn)模型、量子場向經(jīng)典場的轉(zhuǎn)變，時(shí)空非定域的消除，雙四維時(shí)空向四維實(shí)時(shí)空的全域轉(zhuǎn)換，不存在量子態(tài)自身獨(dú)自非定域坍縮。

（二）雙四維時(shí)空協(xié)變量子理論因果關(guān)系分析

按照量子力學(xué)傳統(tǒng)理解，波函數(shù)稱為概率幅，具有概率屬性，雙四維時(shí)空協(xié)變量子理論中波函數(shù)具有物質(zhì)屬性，是物理波（已由史保森等人的“量子螺旋雙縫實(shí)驗(yàn)：證實(shí)波函數(shù)的物理實(shí)在性”所證實(shí)[17]）。因此，所謂薛定諤方程的時(shí)間演化是決定論的，指的是物質(zhì)密度或結(jié)構(gòu)的演化是決定論的。波函數(shù)測量表現(xiàn)的隨機(jī)性，只是兩類空間轉(zhuǎn)換中波函數(shù)概率屬性的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)。

雙四維時(shí)空協(xié)變量子理論中，兩事件形成因果關(guān)系有兩個(gè)必然要素：一是時(shí)序；二是相互作用。當(dāng)然，有相互作用，時(shí)序也就隱含其中了，因?yàn)?，按定域因果理論，相互作用不能超光速傳播。但逆命題，即“兩事件之間可以有時(shí)序，但沒有相互作用”，不一定成立。由時(shí)間變化的有序性所決定的因果性，我們稱為“時(shí)序因果性”，類似哲學(xué)家休謨式的因果論，是態(tài)的第一類演化。第二類薛定諤方程的時(shí)間演化中有測量相互作用存在，相互作用和時(shí)間變化是因，時(shí)空發(fā)生轉(zhuǎn)換、概率分布狀態(tài)單向演化是果。這里的決定論，指時(shí)空轉(zhuǎn)換和概率事件單向演化的決定性。

因?yàn)椴ê瘮?shù)具有的概率屬性和測量坍縮具有的隨機(jī)性，與認(rèn)知層次、時(shí)空轉(zhuǎn)換及物理模型相關(guān)，并非隱藏的力學(xué)原因造成，量子概率不存在隱變量，因此，量子力學(xué)把概率演化因果性稱為統(tǒng)計(jì)因果性是可以理解的。但是，量子測量引進(jìn)了連續(xù)相互作用，描述時(shí)空發(fā)生了轉(zhuǎn)換，測量坍縮中的R過程才是量子力學(xué)中真正的動(dòng)力學(xué)演化過程。薛定諤方程應(yīng)該能夠統(tǒng)一描述UR過程，全局上看，整個(gè)大系統(tǒng)的波函數(shù)同樣符合薛定諤方程演化規(guī)律，只是演化中還要包含描述時(shí)空的轉(zhuǎn)換。我們的研究表明，這將由局域規(guī)范變換中協(xié)變導(dǎo)數(shù)帶來的波動(dòng)方程不變性來解決[7]157176。

量子力學(xué)測量坍縮中的動(dòng)力學(xué)過程及隨機(jī)性，不可逆性，斬?cái)嘞喔尚缘某霈F(xiàn)，是在物理時(shí)空的轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)的。因此，雙四維時(shí)空量子理論因果關(guān)系可表述為：連續(xù)時(shí)序+測量引進(jìn)連續(xù)相互作用是因，物理時(shí)空轉(zhuǎn)換中呈現(xiàn)的概率分布是果。統(tǒng)計(jì)因果性+量子測量中的力學(xué)因果性，構(gòu)成“兩種因果論的交織”，才是量子力學(xué)因果論的全部。

七、結(jié)論

第一，有因必有果，有果必有因，原因在先，結(jié)果在后；相互作用+時(shí)序是因果之間聯(lián)系的紐帶，因果之間存在客觀內(nèi)在聯(lián)系。除去因果之間相互聯(lián)系和因果時(shí)序，必然造成因果律的破壞。因果與事件之間的相互作用及前后時(shí)序等價(jià)。

第二，能量量子化及量子躍遷假設(shè)，使得本征態(tài)之間有固定相位差存在，且相互作用為零，這就必然造成本征態(tài)的平行并存，并保持相干性。能量量子化及量子躍遷是產(chǎn)生量子疊加態(tài)的物理根源。宏觀物理狀態(tài)，能量不能突變，狀態(tài)變化伴隨相互作用和前后時(shí)序，即使實(shí)施正交分割，消除相互作用，使其狀態(tài)平行并存，但任意兩個(gè)物理狀態(tài)之間，由于可以無限趨近，波函數(shù)不存在固定相位差，也就不存在相干性。把宏觀物理態(tài)與量子態(tài)等價(jià)，并作為“客觀世界很有可能并不存在”的重要依據(jù)，是完全錯(cuò)誤的。

第三，量子力學(xué)時(shí)空是平直線性復(fù)空間，方程是線性的；引力時(shí)空是彎曲的，方程是非線性的。

第四，現(xiàn)象時(shí)空（物理時(shí)空）具有建構(gòu)特征，人們可以將物理現(xiàn)象對物理時(shí)空的影響，通過一定的轉(zhuǎn)換機(jī)制，從人的主觀認(rèn)知演變成時(shí)空的屬性，達(dá)到主客二分，客觀描述外部物理世界。

作者按：疊加量子態(tài)有物理機(jī)制可尋。量子態(tài)可以突變，存在量子躍遷造成的固定相差，可同時(shí)并存；宏觀物理態(tài)不能，狀態(tài)轉(zhuǎn)變伴隨有連續(xù)相互作用出現(xiàn)，狀態(tài)波函數(shù)不存在量子躍遷造成的固定相差。把宏觀物理態(tài)與量子態(tài)等價(jià)，并作為“客觀世界很有可能并不存在”的重要依據(jù)，是不正確的。（本文在中國自然辯證法2018年年會(huì)和中國自然辯證法物理哲學(xué)分會(huì)2018年年會(huì)交流報(bào)告，并收入論文集）

（致謝：本文寫作中得到諸多學(xué)者的積極支持，討論中提出了許多寶貴修改意見，一并衷心感謝）

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（責(zé)任編輯文格）