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4贝尔不等式与布尔代数

Academia Arena, 2009;1(2), ISSN 1553-992X, , aarenaj@ 贝尔不等式与布尔代数 谭天荣 青岛大学 物理系 青岛 266071 ttr359@126.com 内容提要:对于量子力学来说,经典概率论是不必要的。但是,如果有人硬是把经典概率 论应用于微观物理学将会得到什么样的结果呢?是一定会与量子力学相矛盾呢?还是相 反,在某种条件下经典概率论也会与量子力学殊途同归呢?迄今为止,没有人考察过这一 问题,从而与该问题相关的领域在微观物理学形成了一个盲区。当问题涉及量子力学与经 典物理学之间的关系时,人们就难免会在这个盲区里误入歧途,贝尔定理就是一个典型的 例子。 贝尔定理的证明多种多样,但万变不离其宗,这些证明都用到经典概率论,特别是用到其 中的关于“联合概率”的运算规则,这些规则是否适用于贝尔所考察的过程的问题,刚好 落在这个微观物理学的盲区之内。人们在这里不自觉地遵循如下准则:当他们从量子力学 的角度考虑问题时,默认这些规则全都不适用于微观过程,当他们从定域隐变量理论的角 度考虑问题时,又默认这些规则全都适用于微观过程。贝尔定理就是这种荒谬的准则的产 物。 在贝尔定理的证明中,那些被认为表现了“定域隐变量理论”特征的命题,可以归结为自 旋相关函数的一个“经典表达式”,但绝不是这个表达式导致贝尔不等式。理由有二:第一, 从这个表达式可以导出量子力学的自旋相关公式;第二,在导出贝尔不等式时,还用到了 一个隐蔽的命题,从而用到了经典概率论的事件运算规则,即布尔代数的规则。由此得出 结论:贝尔不等式之所以与量子力学相矛盾,既与定域性原理无关,也与隐变量理论无关; 只不过是因为人们在推导它时,曾经对“非布尔”的微观事件空间应用了布尔代数的运算 规则。[Academia Arena, 2009;1(3):32-42]. ISSN 1553-992X. 关键词:贝尔不等式;定域性原理;隐变量理论;自旋相关公式;经典概率论;联合概率; 布尔代数;概率运算;事件运算;量子力学 1. 引言 1964 年,J. S. 贝尔在一份名为《物理》的杂志的创刊号上,发表了题为《论 EPR 佯谬》的论文,提出了“贝尔定理”,其原始形式是: “在一个在量子力学上增添一些参量以确定单次测量的结果而又不改变其统计预 言的理论中,必须有某种机制,使得一个测量仪器的安置会影响另一个仪器的读数,不 32 Academia Arena, 2009;1(2), ISSN 1553-992X, , aarenaj@ 论它们相距多么遥远。此外,所用的信号必须是瞬时传播的,因此这样的理论不可能是 洛仑兹不变的。” 在这里,所谓“在量子力学上增添一些参量以确定单次测量的结果的理论”就是“隐 变量理论”。另一方面,按照“定域性原理”,当两个测量仪器相距足够远时,一个测量 仪器的安置不可能影响另一个仪器的读数。因此,贝尔的上述结论可表成:“如果一个 隐变量理论不改变量子力学的统计预言,就一定会违背定域性原理。”或者说:“如果一 个隐变量理论遵循定域性原理,就一定会改变量子力学的统计预言。”人们把遵循定域 性原理的隐变量理论称为“定域隐变量理论”,于是,贝尔定理最终表成现在常见的形 式:“任何定域隐变量理论不可能重复量子力学的全部统计预言。” 因为“实在论”被认为是隐变量理论的哲学前提,从而所谓“定域实在论”(满足 “定域性原理”的“实在论”)被认为是“定域隐变量理论”的哲学前提。因此,人们 根据贝尔定理得出结论:量子力学与“定域实在论”相互排斥。同时人们还得出结论: 可以用实验来判断量子力学与“定域实在论”孰是孰非,从而在物理学史上,开了一个 通过物理实验来检验哲学观点的先例。 因此,贝尔定理对物理学的影响极为深远,1973 年诺贝尔物理奖得主约瑟夫森把 它称为“物理学中最重要的新进展”,物理哲学家斯塔普则把它称作“科学中最深刻的 发现”。 在本文中,我们将给出贝尔不

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