物理佯谬研究 本科毕业论文设计.doc

物理佯谬研究目 录摘 要1Abstract11引言12佯谬与物理佯谬12.1佯谬12.2物理佯谬23物理佯谬产生的根源4 3.1哲学根源4 3.2物理学根源44经典物理佯谬分析6 4.1奥尔伯斯佯谬74.2克劳修斯热寂说84.3薛定谔猫佯谬104.4双生子佯谬114.5 EPR佯谬115物理佯谬的启示125.1物理佯谬可引发人们思维方式的转变125.2物理佯谬的产生预示着物理理论的不完善135.3物理佯谬可导致物理理论的变革146结论14参考文献14致谢15物理佯谬研究 摘 要：在物理学发展过程中曾经产生了许多物理佯谬，而物理佯谬的产生对物理学的发展也产生了不可忽视的影响。本文将从物理佯谬产生的根源谈起，并通过对物理佯谬产生根源和几个经典物理佯谬的分析，来深入探讨物理佯谬在物理学发展中的作用，最后做出总结。关键词：佯谬；物理佯谬；根源；分析；启示The Research on Physical Paradox Abstract：There are a lot of physical paradoxes in the history of physical development. And the effect of physical paradoxes can not be ignored in the history of physical development. So, in this paper, the root of physical paradox's generation was discussed firstly; secondly, the analysis on some important physical paradoxes were made; lastly, the function of physical paradox in physics will be discussed and a conclusion will be drew. Key words：paradox；physical paradox；root；analysis；inspire1引言“佯谬”一词顾名思义就是假错的意思,如果可以更宽泛一点去讨论佯谬，那么佯谬也可以被称之为悖论。但是，不论是佯谬还是悖论，实质上它们都是指在逻辑上可以推导出互相矛盾的结论，但表面上又能自圆其说的命题或理论体系。它们的出现往往是由于人们对某些概念的理解认识不够深刻或者不够准确所导致，同时它们的出现也诱发人们对原有理论深层次思考，并且每一个佯谬或者悖论的提出和解决往往孕育着新理论的诞生。在物理学中，曾经也产生过许多物理佯谬，那么物理佯谬的产生与解决对物理学的发展究竟起到了怎样的作用呢？本文将做一些研究，并在最后得到相关结论。2 佯谬与物理佯谬2.1 佯谬什么是佯谬，在美国大学百科全书中有这样的定义：“它是从显而易见的前提出发，并由此导致一个矛盾的出现而产生的，广义的说，当结论并不是矛盾的，但它与一般的观念或直观知识激烈地冲突时，即为佯谬或者悖论（paradox）”。佯谬和悖论都是由于前提、判断和结论的运用而产生的，它们具有相同的逻辑本性，大多数情况下两词可以等同。例如，爱因斯坦等物理学家提出的EPR佯谬通常也被称为EPR悖论。佯谬和悖论都是一种用目前的正确理论所无法解释的命题，是在保持论断逻辑正确的情况下产生的矛盾。需要说明的是，佯谬与谬误是不同的，谬误是用目前的理论就可以解释，并能够判断其为错误的理论或观点，是完全错误的。佯谬与悖论则不同于谬误，虽然看起来佯谬或悖论也是充满矛盾、是非难辨的，但是，它们的“是非难辨”并非是永远不能分辨的。随着人们认识能力的不断提高，随着科学的不断发展，佯谬是可以逐步得到消除，矛盾是可以解决的。2.2 物理佯谬在物理学中，佯谬一词我们并不陌生。如果单从自然科学的角度讲，在物理学中，我们这样来定义佯谬会比较精确一点。即从一定的物理原理出发，所导出的结论与当时一般的物理原理或物理事实不符，这样从原理到结论的陈述就叫佯谬。表1为几种常见的物理佯谬。表1 常见的几种物理佯谬1双生子佯谬4芝诺佯谬7薛定谔猫佯谬2超光速佯谬5费米佯谬8EPR佯谬3奥尔勃斯佯谬6吉布斯佯谬9克莱因佯谬物理佯谬的产生过程可以简单表示为：物理原理（在一定条件下成立）结论（与物理经验事实不符）。当结论与物理经验事实不符就导致物理佯谬的产生，而结论的正确与否是与前面的物理前提和推导过程是有直接关系的，两个条件中有一个不正确都可能导致矛盾性结论的产生，因此根据其产生的过程我们可以把物理佯谬分为三类来进行说明。第一类，推理前提不正确导致物理佯谬的产生。也就是说物理前提是一定条件下成立的，对物理学理论的超范围使用导致了结论与物理实验或物理事实不符，因此出现了物理佯谬。这一类的物理佯谬并不少见，例如，克劳修斯热寂说佯谬。热寂说佯谬是以宇宙整体正在从热力学的非平衡趋于平衡的结论为前提的，然而大爆炸宇宙学的研究和观测表明，由于引力作用的存在，宇宙一直在膨胀。热力学熵增加理论并不完全适用于有自引力的系统中，因此便产生了热寂说佯谬。 第二类，推理过程中出现了问题，或者在推理过程中违反了推理规则，导致佯谬的出现。前提是正确的，而在推理的过程中不严密、不规范，或违背了某些条件，这样就会导致出一个与事实不符的结论，即产生了佯谬。奥尔波斯佯谬的产生就属于这种情况。奥尔波斯佯谬认为每颗恒星都是一个太阳，那么夜空就不应该是黑的。在这个物理佯谬的推论中，它的前提无疑是正确的，但它的推导过程却不够严谨。佯谬的提出者本人认为，由于太空中的弥散物质吸收了来自恒星的光，所以夜晚才变黑了。但随着物理学理论的发展和物理观察、测量手段的改进，人们最终发现恒星发光时间的有限、恒星间平均距离的巨大，才是导致观察者所在处位置接受不到光亮的原因，至此这个佯谬才最终得以解决。第三类，前提和推导过程都是正确的，并且结论也是正确的。之所以这也会被认为是佯谬，主要是因为该理论的前提是一个全新的原理，人们还没有完全认识并接受，结论又与一般的经验事实矛盾，实验也一时无法做出解释，因此人们认为是一个佯谬。可以说这样的状况只是暂时的，随着新的原理被人们普遍接受，其结论被实验证实，佯谬自然而然的就会消除。ERP佯谬就属于这类物理佯谬，1935年爱因斯坦等物理学家发表论文指出量子力学存在一个佯谬：要么量子力学对物理实在的描述是不完备的,要么存在一种神秘的超距作用。这个理论一提出就在物理学界引起了巨大反响，玻尔等一批知名物理学家提出了反驳，后来的一些物理实验也证实了爱伊斯坦该理论的不完善性。可即便如此我们仍不能对爱因斯坦的观点做否定的判决。因为第一，现有实验的涉及范围有限；第二，70年代弱电统一理论取得成功, 使人们对爱因斯坦统一场理论的思想有了新的评价, 促使更多物理学家在思考爱因斯坦关于量子力学的见解是否有价值。EPR佯谬引起的各种诠释还正在研究之中, 至今没有比较一致的看法。也许随着物理学的发展，人类的时空观会产生新的变革。3 物理佯谬产生的根源自然科学发展过程中出现大量佯谬、悖论是不可避免的1。每一个佯谬的产生都有其一定的根源，如果我们从哲学上以及物理学本身发展的内在规律上来探讨物理学中佯谬的产生，就会发现物理佯谬的产生具有必然性，下面我们从两个方面来讨论。3.1 哲学根源发展是一种前进上升的运动，发展的实质就是新事物的产生或者旧事物的毁灭。同时发展也是一个过程，一切事物只有经过一定的过程才能实现其自身的发展。在唯物主义哲学中，联系和发展是唯物辩证法的总特征，联系是普遍的，而事物的相互联系、相互作用必然导致事物的运动、变化和发展，可以说发展是必然的、永恒的。而在事物的发展过程中，对立统一规律是发展的根本规律，对立统一规律揭示了事物永恒发展的内在动力，从根本上回答了事物为什么会发展的问题，并且给人们提供了一个在看待问题、解决问题时行之有效的方法矛盾分析法。矛盾是反映事物内部和事物之间对立统一关系的哲学范畴，统一属性即同一性，对立即斗争性，正是矛盾的这种同一性和斗争性的相互依存、贯通对事物的发展起到了根本推动力的作用。因此，从逻辑上讲，我们可以说事物要发展，矛盾是前提，而发展的必然与永恒性也导致了矛盾产生的不可避免性。在物理学中，物理佯谬就是从一定的物理原理出发，经过物理推理，导出与当时一般的物理原理或物理事实相矛盾的结论。由此可见，物理佯谬本身就是一种矛盾，而物理学中的矛盾又大多通过物理佯谬来表现。因此我们可以说，在物理学中，物理佯谬即是物理矛盾的重要体现。当我们把物理学作为一个哲学范畴的事物来看待时，物理学必然是运动、变化和发展的物理学。按照哲学观点，物理学要发展，它就需要物理学矛盾的根本推动作作用，那么必然发展的物理学中就必然会有矛盾产生，而物理佯谬作为物理矛盾的重要体现，它的产生就成了不可避免的。因此，从哲学角度来说，物理佯谬的产生是必然的2。3.2 物理学根源从物理学的特征和发展规律上来说，我们又可以从以下两个方面来分析。一、物理学理论总是在一定范围内是正确的，并非在所有的范围内是绝对正确的。当它的推论与物理经验事实相冲突时，就说明了理论本身或者它的适用范围存在问题。因为物理学理论是人类在一定阶段对自然和客观事物的认识的结晶，它总是有一定的适用范围的，而人类认识的天性总是想将其拓而广之，有可能某种范围的拓广是正确的，但也有可能拓广会产生错误的认识，这种错误认识的存在就为物理佯谬的产生提供了可能性。以热力学第二定律所导致的热寂说佯谬为例来说明这个问题，热力学第二定律揭示了熵在孤立系统中趋于一个极大值，克劳修斯把它推广到宇宙，得出：“宇宙的永远守恒，宇宙的熵永远增大。宇宙的熵趋于极大，宇宙越是接近于其熵为一最大值的极限状态，它发生变化的可能就越小。当她最后完全达到这个状态时，就不会出现进一步的变化了。宇宙将会永远处于一种死寂的状态。”这就是所谓的热寂说佯谬。从克劳修斯这段话中，似乎他找到了宇宙的最终极限状态，但令人不可理解的是为什么到目前为止丝毫找不到整个宇宙趋于平衡的迹象，在有限的时空范围内的宏观物理现象中，不仅存在趋向平衡的弛豫过程，而且也存在偏离平衡的物理过程，只要外界条件合适甚至可以远离平衡。这个佯谬的提出困惑了物理学家、哲学家一百多年，但最终被宇宙大爆炸所解释。这表明，热寂说佯谬之所以会产生旷日持久的争论，其原因在于忽略了引力场在宇宙演化中的作用。由于宇宙中存在引力作用，宇宙根本没有平衡态，宇宙只能处于动态的演化过程中，而不是静态，虽然系统的熵不断增加，但它距离平衡态却是越来越远，那就是说熵的增大并不意味着热寂说的存在。由以上可以看出，热寂说佯谬之所以会产生，主要是由于当时天体物理观测手段仅靠光学观测，其观测的范围、发现的现象都是有限的，关于宇宙的起源、宇宙如何演化以及它是否有最后结局问题都在探讨研究之中，人们对宇宙本身知道甚少，所以轻率地把热力学第二定律用在宇宙上，并导致了一个错误的结论。二、科学理论总是体现出一定的层次性。各种理论之间并非泾谓分明，理论的交叉之处可能产生佯谬。例如，牛顿力学描述了宏观物体低速运动的规律，相对论描述了高速运动规律，无论如何划分这两种力学，谁也无法将一种力学完全游离于另一种力学之外。当速度远远小于光速时，相对论的力学结论归结于牛顿力学，当速度接近光速时，牛顿力学包含于相对论中。理论之间一但出现这种交叉，各种概念便难免混淆，最著名的例子就是相对论中的孪生子佯谬。爱因斯坦在运动物体的电动力学中讲到：如果A处有两个同步的计时钟，其中一只以恒定速度沿一条闭合曲线运动，经历了T秒之后回到A处，那么运动的钟比起那只在A处始终未动的钟来说要慢一些。这等于讲，宇航员在遨游太空返回后要比他的孪生兄弟年轻些，这个让常人感到不可思议的结论就是孪生子佯谬。追根溯源，之所以会产生这样的佯谬，主要是由于相对论中的时空概念不同于经典力学的时空概念，不把两者加以区别便产生了佯谬。4 经典物理佯谬分析4.1奥尔勃斯佯谬4.1.1 奥尔勃斯佯谬的产生奥尔勃斯佯谬，又称夜黑佯谬。从文献记载看，在欧洲英、法、德三国，各有一位天文学家，哈勒(E. Italley)于1720年、切西亚赫(L.dc Che'seaux)于1744年和奥尔勃斯(H.W.M.Olbers) 曾于1823年先后以大致相同的方式提出如下命题：夜间天空没有太阳照耀，但天上并非只有一个太阳，每颗恒星都是一个太阳，虽然由于其它恒星离我们较远，其光线很弱，但宇宙中无限多的恒星完全可以照亮整个天空，所以夜晚不应该是黑的。4.1.2 奥尔勃斯佯谬分析 佯谬的提出者切西亚赫和奥尔勃斯对这个命题是这样回答的：星际空间存在许多弥散物质，它们会吸收恒星发出的光，使得远处的恒星所发出的光未能传到我们的眼睛。这一佯谬在后来很长一段时间内几乎无人再提，直到1960年左右，英国的班迪(Bondi)、戈尔特(Gold)、霍伊尔(Hoyle)等科学家提出稳恒态宇宙模型时，这一佯谬才以“奥尔勃斯佯谬”为名广为宣传。班迪等人指出：用弥散物质对光的吸收来解释该佯谬是不行的，因为被吸收的辐射将使物质加热，然后重新被释放出来，结果天空还是一样亮。班迪他们认为根据河外星系巨大红移的事实，我们就可以解释这一佯谬。因为星体离我们越远，它们发出的光向低频（长波）方向红移越厉害，光子的能量便越低，于是我们观察者所处的辐射能密度的贡献也就越少。通俗地说：星空本来应当是明亮的像个炉膛那样，只是因为宇宙在不断膨胀，才使得这个炉膛变暗了。但是班迪等人的解释并没有得到广泛的认可。1964年，哈里森(E.R.Harrion)重新研究了这个问题，指出班迪等人的论证错误在于假定恒星一直发光。事实上，按照最近几十年来的恒星演化理论，一个恒星从星际弥散物质中开始形成，在引力收缩下温度升高到一定的程度才发光，经过主序星阶段，膨胀为红巨星，再经过爆炸，抛掷物质变成白矮星、中子星或黑洞。从生到死，虽然经历了漫长的时间，但它的生命终归是有限的。哈里森通过推算得出，恒星发光时间的有限、恒星间平均距离的巨大，才是导致观察者所在处的辐射场密度远远小于恒星表面的辐射场密度的根本原因，宇宙膨胀红移则是次要原因。至此，困惑人类200多年的疑团得以解决。在奥尔勃斯佯谬的提出和解决过程中，人类的探索愈深愈广，从稳恒态宇宙模型到宇宙膨胀模型，从恒星的演化到宇宙起源等等，人们对自然的认识愈接近真理。可见，物理佯谬的提出与最终解决的确能推动物理学的巨大发展，使得人类对物理学理论有更深刻的认识。4.2 克劳修斯热寂说4.2.1克劳修斯热寂说的产生克劳修斯在1865年的论文中指出应把宇宙看作一个孤立的绝热系统，在这个系统中，热的正向变化总是大于负向变化，因此他认为宇宙热量的总和将向一个方向变化而趋于最终状态。另外克劳修斯指出，他的熵只包含了“热含量”和“热离散度”，而未考虑热辐射和由“以太”传播的热量等。因此克劳修斯写道：“由此熵尚未用尽，还必须考虑辐射热，或以太振动方式通过宇宙空间弥散热的其它形式，以及不包括在热名义下的那些扩展更远的某种运动” 。克劳修斯正是在上述的前提下得出他表示宇宙的基本定律：（1）宇宙的能量是恒定的；（2）宇宙的熵趋于极大。克劳修斯在1867年作的关于机械热理论的第二定律的讲演中，又进一步提出：“宇宙越是接近于其熵为一最大值的极限状态，它继续发生变化的可能性就越小，当它最后完全达到这个状态时，就不会再出现进一步的变化了，宇宙将永远处于一种惰性的死寂状态。”这就是著名的克劳修斯的“热寂说”的来历。4.2.2克劳修斯热寂说分析长期以来，人们总以为宇宙基本上是静态的，而且在时间上既无始又无终。但按照热寂说的说法，似乎宇宙早就该处于热寂状态了。然而最使人不可理解的是，为什么现实宇宙至今并没有达到热寂状态?由于热寂说在感情上和理智上都给人以强烈的冲击，所以它问世不久，就遭到各方面的抨击。但是这些对热寂说的批判说服力并不不强，并没有真正的解决问题。直到1948年，美籍俄裔物理学家伽莫夫(G.Gamow)和他的同事提出了一个“大爆炸”的宇宙理论，才使得使热寂说的佯谬迎刃而解。热寂说是以宇宙整体正在从非平衡趋于平衡的结论为前提的。然而大爆炸宇宙学的研究和观测表明，宇宙起源于150亿年前“原始火球”的一次大爆炸，大爆炸之后宇宙一直在膨胀。它不是趋于平衡，而是越来越趋于不平衡。按照熵增加原理，只对于每个静态的封闭体系，熵才有个固定的极大值；对于膨胀着的系统，每一瞬时熵可能达到的极大值是与时俱增的。如果膨胀得足够快，系统不但不能每时每刻跟上过程以达到新的平衡，而且实际上熵值S的增长速度落后于极大值的增长，二者的差距越拉越大。在这种情况下，虽然系统的熵不断增加，但它距平衡态却愈来愈远。我们的宇宙中发生的正是这种情况。另一方面，宇宙膨胀的原因是由于引力的作用3。有引力作用的热力学与无引力作用的热力学得出的结论完全不同。在不考虑引力的经典热力学中，加热则体系升温，冷却则体系降温，热容量是正值。而在一个自引力体系中，情况则刚好相反，加热则体系变冷，放热则体系升温，热容量是负值。而负热容物体的存在对于热力学来说具有根本性的影响。在一个体系中，如果同时存在着正热容物体和负热容物体，那么这个体系就具有极大的不稳定性。稍有扰动，平衡就会彻底遭到破坏而产生温差。因此，只要有引力体系存在，原则上就不存在稳定的热平衡，而宇宙间的天体或天体系统大多数正是处在这种引力系统中。尽管自引力系统中熵是增加的，但由于没有热平衡，因而熵的增加是无止境的，永远没有极大值。因此我们可以这样总结：热平衡的存在对整个热力学是至关重要的，热平衡是热力学的出发点，而对于有引力作用的体系，实际上不存在热力学意义上的热平衡态，而是不稳定的状态。这种现象在静态宇宙模型中是不可能发生的，它也是开尔文和克劳修斯等人没有料想到的。4.3 薛定谔猫佯谬 4.3.1 薛定谔猫佯谬的产生近百年的学术争论中，影响最大的就是薛定谔于1935年提出的所谓薛定谔猫佯谬，被誉为是科学史上最离奇的佯谬。20世纪20年代中期，以物理学家玻尔为首的“哥本哈根学派”提出了量子力学的“哥本哈根解释”。根据“哥本哈根解释”，在微观世界，由于测量仪器对于微观粒子存在着“不可控制”的干扰作用，因而我们对于微观粒子性质的认识，不再是一个独立于观测作用的客观过程。这一解释的一些极端说法甚至认为，微观粒子不再是一种独立于观察者主体的客观存在。量子力学的“哥本哈根解释”在科学界引发了激烈的论战，薛定谔也被卷入其中。薛定谔有两个自认为构成了科学方法的基础的哲学原理：自然的可理解性原理和客观化原理。在薛定谔看来，“哥本哈根解释”恰恰在这些方面是出问题的。于是便尖锐地提出著名的薛定谔猫佯谬4，其描述如下。一只猫被关在一个密闭的钢盒中，盒中的一个装置中的辐射原子会发生衰变，并通过一组仪器让盒内一个装有毒气的小瓶破碎，从而毒死这只猫。但这样的事情也可能不会发生，因为辐射原子可能不发生衰变。（如图1）微观量子受量子统计规律的支配，假如整个过程持续一小时，那么在这段时间内，由于辐射原子既可能发生衰变也可能不发生衰变, 因而这只猫既是死的又是活的, 即猫处于了一种“ 死活叠加” 的奇怪状态，亦即处于了量子力学所说的量子相干叠加态。这种宏观量子叠加态的存在从经验上讲，它是非常奇怪的，因为人们通常认为这只薛定谔猫要么还活着，要么已经死亡，而无法接受这只薛定谔猫的生死会因为观测者打开盒子而改变。那么我们究竟该如何理解这只不死不活的薛定谔猫呢？图1 “薛定谔猫”佯谬装置示意图4.3.2 薛定谔猫佯谬分析事实上，由薛定谔猫佯谬可我们以延伸出两个科学问题：量子力学是否适用于宏观世界；在量子测量中，量子叠加态如何向统计混合态过渡。与之相应，也可以延伸出两个哲学问题：量子态是否是一种真实的客观存在；如果是，它能否被客观地认识。要解除薛定谔猫佯谬，就得清楚地回答上面的问题5。近年来, 量子测量关于薛定谔猫的研究取得了一系列新的实验进展。2000年, 纽约州立大学石溪分校的一实验小组，运用一个没有耗散效应的特殊超导环，成功地实现了由数十亿电子对组成的、非常和谐的、没有阻抗的、运动的两个宏观不同的磁通态的量子叠加实验6。在这个实验中，两个宏观不同的磁通态，一个对应于顺时针方向绕环流动的一些微安电流，相当于“活猫”；一个对应于逆时针方向绕环流动的等量的微安电流，相当于“死猫”。它们在环中反向流动所形成的对称和反对称的叠加，相当于一只死活叠加的“薛定谔猫”。 死活叠加的薛定谔猫成为现实，打破了微观量子和宏观经典的界限，表明我们的物质世界原本上是一个量子力学的世界。虽然量子力学的规则在宏观尺度至少在普通情况下并不适用，但是在原则上量子力学理论确实可以用来描述我们日常生活的现实世界。只不过，在现实生活中，由于客观的退相干效应的存在，在量子向经典过渡的区域，量子物理学自动地还原为经典物理学，从而使得宏观物体自动地遵循着经典物理学的规律行为。这样一来，当初用以质疑量子力学自洽性和普适性的“薛定谔猫佯谬”，也就成为揭示自然隐藏于其背后深刻奥妙的帷幕。4.4 双生子佯谬4.4.1双生子佯谬的产生“双生子佯谬”是相对论中一个引人关注的问题，从20世纪50年代起，物理学界就开始对该问题进行激烈争论。双生子佯谬是指：有双生子（即孪生兄弟）甲、乙（他们的生命节律相同，忽略生物学上的变异），甲留在地球上，乙乘上接近光速飞行的宇宙飞船到地球外的天体去旅行，到达目的地后立即以同样的速率飞回。按照狭义相对论时空理论，运动的钟较慢。若甲、乙同时开始计时，当乙飞回地球，甲、乙再次相遇，乙比甲年轻。但运动是相对的，飞船中的乙认为甲相对他运动，应是甲比乙年轻。相对于不同的参考系，同一件事有不同的结论，这显然是荒谬的7。事实上甲乙的年龄关系应该是唯一的，那么事实上到底是乙年轻还是甲年轻呢？这就是著名的双生子佯谬。4.4.2 双生子佯谬分析实际上，我们对于这个佯谬的讨论已经越出了狭义相对论范畴。狭义相对论只讨论相互匀速运动的惯性系，即乙上了飞船后是一去不复返了，谁也没有机会再直接看到对方年龄。若乙想回到地球，飞船必须掉头，而这样就有加速度，飞船立即变成一个“非惯性参考系”，其中出现了强大的引力，我们必须用广义相对论来讨论这个问题。那时不能认为甲看乙掉头等价于乙看甲掉头，因为地球与飞船一大一小不能等量齐观。广义相对论对上述被看作“佯谬”的效应是肯定的，认为该种现象能够发生8。然而，实际上双生子真的可能吗？真人做星际旅行在今天仍是科学幻想，但有了精确度极高的原子钟，用仪器来模拟“孪生子”实验已成为可能。1971年哈费尔与吉丁将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处发现分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。实验表明，相对惯性系转速愈大的钟走得愈慢，这和孪生子问题所预期的效应相一致。实验结果与广义相对论的理论计算比较，在误差范围内相符。双生子佯谬终于解除，双生子佯谬也从佯谬变成了效应。从以上可以看出，双生子佯谬正是人们对物理理论使用范围的不加区分造成的，但随着物理理论的发展和人们认识水平的提高，以及实验条件的改善，人们最终合理的解释了这个佯谬。4.5 EPR佯谬4.5.1 EPR佯谬的产生1935年5月，爱因斯坦、波多尔斯基、罗森联名发表了一篇论文能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？，他们从定域实在论的观点出发，通过分析相关体系的思想实验，论证量子力学存在一个佯谬：要么量子力学对物理实在的描述是不完备的，要么存在一种神秘的超距作用。他们的论证被称为EPR论证，这个佯谬被称为EPR佯谬9。爱因斯坦的EPR论文原文的篇幅不到4页，分两个部分，论文首先给出完备理论的条件和物理实在的判据作为论证的前提，他们提出理论完备性的必要条件是物理实在的每个要素都必须在物理理论中有它的对应，怎样确定物理实在的要素呢？作者认为若是对一个物理体系没有任何干扰,我们就能确定地预测（即概率等于1）一个物理量的值,那么必定存在着一个物理实在的要素。论文的第二部分考虑了一个假想实验,由此论证如果承认他们关于完备理论的条件和物理实在的判据,那么量子力学对物理实在的描述就是不完备的。他们的证明是通过考虑一个特殊物理体系的分析来进行的。经过分析，他们得出这样一个结论：在两个曾经发生但早已不再发生相互作用的体系中，通过触动其中的一个体系可以影响另一个体系，而这另一个体系是不再和第一个体系有什么关联的。这种佯谬苦恼了许多人，人们至今仍然没有一致的看法10。EPR论文的作者们认为他们关于“不完备性”的证实是不容否认的，他们曾经在各种场合下表明了这种考虑。4.5.2 EPR佯谬分析 玻尔认为对EPR论文作出反应是他义不容辞的责任,经过思考，玻尔于1935年6月给自然杂志编辑写了一封信，题为量子力学和物理实在，反驳EPR文章中的物理实在的判据，不久之后的7月玻尔又在物理评论上发表同名文章能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？，以此文阐明测量手段会影响赖以定义物理量的条件，证明EPR的结论是不合理的。玻尔认为EPR文章中所提出的那种关于物理实在的判据, 本身就是站不住脚的，从而EPR论证也就不能影响量子力学描述的可靠性。玻尔强调把经典物理学体系分离为各个部分的处理方法在量子领域已经失效, 因为只要两个体系联合成一个单一的体系, 即使只在一段有效时间内, 那么这样的一个组成过程就不再可分离。他认为传统的哲学观点在合理地说明量子力学中所涉及的那种类型的物理现象方面本质上已不再适用。客体和测量仪器之间相互作用的非无限小性, 已经规定了因果性这一经典理想的最终放弃，必须把复合体系看成单一的不可分离的整体, 整个实验装置工作的结果并不告诉我们关于想要观察的体系的知识, 而只告诉我们实验装置本身的整个情况，因此他认为, 像EPR论文中所提出的那种判据, 不论它的表述可能显得多么深思熟虑, 当应用到实际问题时总是会包含着一种本质上的含糊性11。EPR论证未被玻尔接受，同样玻尔的反驳也不能让爱因斯坦信服。 第一个成功地检验EPR效应的实验是弗里德曼和克劳色在1972年年完成的。他们利用的是钙原子的级联辐射，实验结果同量子力学一致。最成功的实验由阿伦·阿斯比小组在法国奥塞实验室完成的, 他们的结果也与量子力学一致。1975年，卡斯戴、厄尔曼和吴健雄用湮没辐射光子方法检验了EPR论证，他们的结果与量子力学一致。迄今为止，物理学界已完成12个实验，大多数结果都与量子力学一致而违反贝尔不等式对爱因斯坦的可分离性和是否存在超距作用等问题做出了重要的局部检验12。可是尽管已完成的实验绝大部分明确的支持了量子力学结果，但这并不等于已对爱因斯坦的观点做了否定的判决13。因为第一，现有实验的涉及范围有限；第二，70年代弱电统一理论取得成功，使人们对爱因斯坦统一场理论的思想有了新的评价，促使更多物理学家在思考爱因斯坦关于量子力学的见解是否有价值。总之，EPR佯谬引起的各种诠释还正在研究之中, 至今没有比较一致的看法，也许随着物理学的发展，人类的时空观会产生新的变革14。5 物理佯谬的启示物理学是用来认识和解释自然的，但人们的认识水平总是与当时的科技文化的发展相一致的，并随着这种发展在不断地提高，因此认识自然不是一蹴而就的，这是一个发展的、不断完善的而过程。从以上物理佯谬的产生与分析来看，我们可以说物理佯谬是建立物理新理论、认识新事物过程中的重要一环，并且随着人们认识水平的提高和理论的发展，物理佯谬也就会随之得到合理的解释。而解决物理佯谬本身也是人类思维方式的一次解放。在物理学中，物理佯谬这种突出的作用给我们带来了一些启示。5.1物理佯谬可引发人们思维方式的转变佯谬的产生，有可能导致人们思维方式的改变。因为佯谬一旦产生，他会促使人们审视原有的理论正确与否，为解决佯谬就回提出各种新的解释与解决方案，这就可能使人们冲破原有的旧的思维定势，建立一个全新的思维模式，为新的理论的诞生铺开道路。例如1865年克劳修斯用熵表述了热力学第二定律，解释了自然过程的不可逆性，那宏观世界的不可逆性从何而来？1866年克劳修斯用纯粹力学规律推导热力学第二定律，提出了著名的H定理。1876年洛希密脱提出了可逆佯谬，证明了H定理不是一条力学定理。1877年克劳修斯重新解释了H定理，使H定理从绝对有效的力学定理转变为统计有效的定理。H函数不再是一定减少，而是几乎总是减少，H函数增加不是不可能，而是不可几，H的单向性并非由力学规律引起的。几率概念这一非力学因素在解释不可逆性起了决定作用。试设想：如果不在思维模式上冲破原来经典力学的框架束缚，大胆引进几率的概念，那么是不可能推导出可逆的H定理的，引进几率概念，使人们在思维上产生了一个大飞跃。由此人们认识到单个粒子服从牛顿运动定律的，而微观领域多粒子运动是服从统计规律的。因此，我们可得出结论，自发过程的不可逆性、时间的方向性是由统计规律决定的。5.2 物理佯谬的产生预示着物理理论的不完善由物理佯谬产生的原因我们可以知道，之所以物理佯谬会出现不外乎两个原因。第一，物理理论总有一定的适用范围，但这个范围没有在理论中做出必要的说明，从而导致了人们用理论解释自然时出现了对理论的超范围运用，因此使得佯谬有了产生的可能。第二，物理理论总是体现一定的层次性，但各个层次并非泾渭分明，理论的交叉与重叠使得人们在使用理论时要做出必要的选择，而不科学的选择又为物理佯谬的产生提供了可能。由此可见，物理佯谬的产生必然隐含着物理学中人们对物理理论描述的不完善，也正是这种不完善的物理描述最终造成了物理佯谬的出现。例如，前面提到的EPR佯谬，该佯谬指出：要么量子力学对物理实在的描述是不完备的,要么存在一种神秘的超距作用。著名的物理学家波尔立刻提出了与此论证针锋相对的看法，并在随后发表同名论文对此观点予以反驳，玻尔认为EPR文章中所提出的那种关于物理实在的判据, 本身就是站不住脚的，从而EPR论证也就不能影响量子力学描述的可靠性15。后来的一些物理实验也对EPR进行了验证，迄今为止物理学界已完成12个关于EPR的实验，大多数结果都与量子力学一致而违反了EPR论证。但尽管如此，我们现在仍然不能完全否定EPR论证，因为第一，现有实验的涉及范围有限；第二，70年代弱电统一理论取得成功, 使人们对爱因斯坦统一场理论的思想有了新的评价, 促使更多物理学家在思考爱因斯坦关于量子力学的见解是否有价值。由此可见，正是由于物理学相关理论的不完善使得EPR佯谬产生，并且直到现在也没有没有得到彻底的解决。但是我们相信，随着物理学的发展，随着物理学理论的逐步完善，EPR佯谬必然会得到合理的解释。5.3 物理佯谬可导致物理理论的变革一个佯谬的产生往往会给某些理论体系带来不小的触动，这种触动把学术界人们的注意力吸引到如何解决佯谬的焦点上，因此物理学家们为消除这一佯谬开始不断地探索、研究，从可能导致物理学理论的变革。例如经典力学在解释诸如热力学第三定律、比热、辐射热等一些实验规律时都遇到了困难，这种困难有的是在统计方法上，有的是在对微观态的判断上，有的出在所依据的微观粒子的力学规律上，正是这种困难的存在使得人们在用物理理论解释自然时产生了佯谬，并且这种困难也使机械决定论在微观领域彻底而全面的崩溃，从而导致了量子统计学的诞生，使人们对自然的认识发生了根本深刻的变革。6 结论物理学发展过程中出现大量悖论、佯谬，它们的出现是物理学自身发展中是必然的、不可避免的。每一个佯谬的出现往往暗示着原有理论体系内部存在着矛盾，暴露出原有理论体系的非科学性和局限性，它能诱发人们对旧理论的深层思考，并极大激励和启迪人们开始探索一个新的物理学领域，每一个佯谬的提出和解决往往孕育着新理论的诞生，昭示一场深刻的物理学革命即将到来。可以说，佯谬是推进物理学发展的一个强大动力。参考文献：1 普里高津从存在到演化J自然杂志，1980，(3)：112 海森伯物理学与哲学M北京：商务印书馆，1981：233 赵凯华，罗蔚茵力学M北京：高等教育出版社，2000：454 李宏芳“薛定谔猫佯谬”的哲学研究J科学技术与辩证法，2005，13(6)：36-375 朱青量子力学的哲学内涵J科技资讯，2006，(13)：1146 潘平, 杨明 量子信息的本质特征及哲学意义J贵州大学学报(社会科学版)，2003，(3)：28- 317 冯华“孪生子佯谬”教学析疑J北京教育学院学报，2000，(6)：408 J R FriedmanQuantum Superposition of Distinct Macroscopic StatesJNature，2000，(406)：43-469 郭贵春, 郝云鹏量子纠缠及其哲学反思J山西大学学报(哲学社会科学版)，2004，(3)：1-610 许良英，范岱年 编译爱因斯坦文集（第一卷）M北京：商务印书馆，1976：33111 Schtoding EDiccussion of Probability Relations Between Separated SystemJProc Camb Phil Soc，1995，(31)：55512 吴国林量子非定域性及其哲学意义J哲学研究，2006，(13)：9013 李宏芳科学实验推进了客观是在论J自然辩证法研究，2006，(11)：2914 狄拉克物理学的方向M北京：科学出版社，1981：46-6015 Bohr NAtomic Physics and the Deseription of NatureJCombridge，1934，(1)：5