观控相对论的信息范型
——兼评两种量子力学的新解释
刘月生
(河池学院,广西 宜州 546300)
2004,03
公布于潜科学网站
笔者在20世纪90年代初发表了“观控相对论的信息诠释”[1],把玻尔的互补原理、索罗斯的反身性原理和迪克的人择原理(anthropic
principle)统一为结构信息与交换信息的相互作用规律,而相隔10年又在21世纪初发表了“量子悖论的世纪之争”用以概括中国科学哲学界在对爱因斯坦与玻尔之争的实质的理解,并期待得到某种形式的认同。现在,我终于看到关洪教授于2002年底之前发表了:
——“消干效应和量子力学新解释的意义”
(《物理》第31卷,2002年第3期)
倪光炯教授于2002年底2003年初发表了:
——“对量子力学的一种新解释”
(《科学》第54卷2002年6期;《科学》第55卷2003年1期)
笔者认为,这两篇论文在世纪转换之际承先启后,无疑是世纪性的总结,它和本文“观控相对论的信息范型”有何关系,我们简评如下:
一、
对盖尔曼关于量子力学新解释的信息诠释
1、量子状态的“多世界(many
world)解释”
1957年,艾弗雷特第三(H·EverettⅢ)提出“相对态表述”,被M·盖尔曼称作被测系统量子力学现代近似法的这种解释,其本义是:为了处理整个宇宙的量子姿态,就“免除了经典物理学的观察装置和系统外部的观察者的需要”,变客体为主体,把“多世界”变成“多宇宙可选择的历史”,即盖尔曼所说“一个给定的系统可以有不同的历史,每种宇宙历史有它自己的概率;没有必要使人们心神不安地去接受都具有相同真实性的多个‘平行的宇宙’。”(《物理》31卷P181)这种解释,有别于量子学的初始解释。
2、盖尔曼的新解释目的是为量子力学找到一种适当的哲学描述,以结束玻尔时代。
他1979年就说过,“玻尔对整整
一代物理学家洗了脑”,而在1994年《夸克与美洲豹》一书的“量子力学的当代观”中又写道:“我们在努力建构量子力学的诠释的目的,是想终止玻尔所说的时代。”
关洪认为,盖尔曼的新解释的继承性表现在费恩曼(R·P·Feynman)创立的路径积分方法里,运用空间—时间中的历史来表述量子力学的做法;亦发扬了在H·EverettⅢ提出的多世界解释里,物理世界有多种可能选择的思想。(P180)
3、“路径积分”根本否定“互补原理”
关洪更认为费恩曼创立的“路径积分”,实际上已经从根本
上否定了玻尔关于对微观对象不可能同时给出空时标示和因果描述的“互补原理”,他的路径积分,实质上是一种历史性的描述,不过,它描写的不是系统经历的一种真实的历史,而是各种可能历史的振幅的叠加。
4、这种多世界(空间的)解释,即多历史(时间的)解释,其历史是潜在的而不是实现了的。
关洪引述这一点,抓住了盖尔曼新解释的实质——可能世界不等于现实世界。不妨将原话引证如下:1992年,J.Horgan在“量子革命”(《科学美国人》)中说:“虽然多世界解释长期以来被当做更像是科学幻想而不是科学本身而受到了冷淡的对待,但新近Gell—Mann
和他的合作者以一种改进了的形式而使这一解释复活了。他们称呼其理论为多历史解释,并且强调
那些历史只是‘潜在’的,而不是在物理上实现了的。据说Gell—Mann曾预言道,到20世纪未时,这种观点将在这一领域内占据支配的地位”。(P180)
这里要作一个历史注脚:A
·派斯在《一个时代的神话》一书中提到:关于玻尔和爱因斯坦的反思(P41—65)。他认为玻尔的主要力量不在于学识涵博,而在于他那种惊人的直觉和洞察力。而从爱因斯坦方面看,他不仅是旧量子理论的三位奠基人之一,而且也是波动力学的教父。但是,当人们终于在1925年达成了他在1909年就已预见了的粒子和波的融合以后,他却无论如何不肯接受这种融合。[该书译者称:作者论断大谬不然!量子力学的观念构架绝不能看成德布罗意——爱因斯坦意义下的波和粒子的“融合”,而是二者的“互补”。不然二人的争论就不会出现。在爱因斯坦的梦想理论中,波动和粒两图景,“不应该被看成互不相容的”。真能创造出那种“融合”性的理论,玻尔的互补哲学就将一垮到底。这就是爱因斯坦至死不肯接受量子力学现状的原因。本书作者百思不解,原因就在于他混淆了“融合”和“互补”的真实涵义。]
我以为所谓费恩曼的“路径积分”根本
否定玻尔的“互补原理”,所谓各种可能历史的振幅的叠加,实质就是用“融合”取代“互补”。玻尔常常谈到“时空描述”(或时空图景)和“因果图景”(动量-能量描述)的密切结合是经典物理学的本质特征,但似乎不曾(或极少)提到“波动行为”和“粒子行为”的结合。因为,在经典物理学看来,这两种“行为”是绝对互斥的,是根本谈不到“结合”的。只有在作者认为爱因斯坦梦想过的那种现在还一点影子也没有的“理论”中,才会有两者的“融合”。(P61)
玻尔强调:只有通过坚持用经典术语来描述观察结果,才能避免表观上由粒子和波的二象性所造成的逻辑佯谬,粒子和波本身就是两个经典定义的名词。二者行为彼此互斥:
经典物理学家会说:如果两种描述是互斥的,则其中至少有一种是错的;
量子物理学家会说:一个客体表现像一个粒子或像一列波,取决于使用来观察它的那种实验装置的选择。他不会否认粒子行为和波动行为是互斥的,而且他还会断言,为了充分地理解客体的特性,这两者都是必要的。
这里用信息范型的语言来说,波和粒不是一个客体系统的“结构信息”,而是客体系统与环境(观察实验装置)相互作用的“交换信息”。故而玻尔要求把这两种“交换信息”——空时标示和因果描述,作为不同经典理论表征的联合,看作是对客体系统描述的互补而又互斥的两个特征,它们分别代表着观察和定义的理想化。
这样我们就可以重新诠释“多世界解释”:EverettⅢ提出“相对态表述”即“多世界解释”,是为了调和系统演化的连续性(结构信息系统)和测量过程的突然跳跃(系统的结构信息与测量系统结构信息相互作用而出现的各种交换信息)这两方面的矛盾,认为在某一测量结果实现的同时(信息的两重性:既是系统的结构信息,又是系统与环境相互作用的交换信息),也实现了其他所有可能的测量结果(交换信息1/n)。因为,在这一瞬间,同原来状态对应的一个世界(环境n/n)分裂成了多个同被测量变量的各个本征态相对应的那么多世界(与多层次多方位的环境结构信息n相交换),每一个世界对应着一个可能的测量结果(交换信息1/n)。在这里没有波函数的坍缩,而只有世界的分裂,每一个世界都是同样真实的。我们之所以看到某一个测量结果(主客体结构信息及其交换),是因为我们正好生活在同这一观察结果相对应的世界里(主体结构信息与其同构),在其他的世界(其他的客体结构信息),对应着其他的测量结果(与主体结构住处交换的结果),只不过我们看不到就是了。(P180—181)
二、
从观控相对论看消干效应的主体性方面
——对比倪光炯与盖尔曼量子力学新解释的异同
5、倪光炯教授的论文“对量子力学的一种新解释”分上下篇,上篇“测量与信息”,下篇“量子力学中的认识论和法论问题”。我认为上篇和我们的观点基本一致,所不同者,倪教授的“自在之物”无信息,我们称这为“自在之物”有“结构信息”,而倪教授所认为的“信息的获得不是一种反映过程,而是一种变革过程的结果。换言之,信息是测量时由主体(通过仪器)与客体共同创造出来的。这就是这个不确定关系式(引者注:ΔxΔp≥ħ/2)含义”,(《科学》54卷6期35页—36页)我们则将此称为主体和客体相互作用共同创造的“交换信息”。
倪教授所讲的过去大多数物理学家(包括爱因斯坦在内)都认为这些信息是客观存在的,即未测之前便已存在了。我们把这里存在的信息称为“结构信息”;倪教授说以玻尔和海森伯为代表的哥本哈根学派则有所不同,我们同意这一说法,是因为玻尔所指的是主体(仪器)和客体相互作用而形成的“交换信息”,不单指客体的“结构信息”,他俩人强周x与p的测量之间有排斥性,是因为主体不同,测量仪器不同,交换信息不同,因此存在一个不确定关系式:ΔxΔp≥ћ/2。
倪教授虽然维护了哥本哈根观点,即量子力学的“正统解释”,但并未停留在这一水平上,而是揭示了哥本哈根学派难以超越的关键一步:把仪器和微观客体的相互作用仅仅看成是“干扰”,而没有理解为“变革”,这就把变革与干扰混为一谈了。我们认为“自在之物”存在结构信息,但没有信息增殖,而微观客体在仪器与之相互作用时却出现了信息增殖,因为这一变革过程是主客体双方共同创造的“交换信息”,既不同于微观客体的结构信息,也不同于主体(仪器)的结构信息,而是新形成的结构信息,由于主客体相互作用是一种信息交换过程,既有已形成
的结构,又有潜在的可能形成 但还未出现的结构,故称之为“交换信息”为好。倪光炯教授直接用量子力学的语言说明如下:
“量子力学的深层次理解是以元气(或西方后来所说的“以太”或真空)为基础的:粒子是元气的激发态,它的波函数有虚实两部,如Ψp(χ,t)的复数表达式所示正是“阴”和“阳”的数学表述,而波函数中的坐标x当然是“场”(而非粒子)的流动坐标。在Ψp(χ,t)的复数表达式中,固定x(或t)便看到阴阳双方随t(或x)此消彼长地作周期性变化。还要注意阴与阳的差别不过是相对的,只要作一个相位(规范)变换Ψ→eiθΨ=Ψ′,便可看到阴(或阳)立刻向其对立面阳(或阴)转化过去,而其中i2=–1起了极妙的作用。此外,与Ψp(χ,t)的复数表达式中粒子对应的反粒子波函数只是以―i代替i。”(《科学》54卷6期36页)
倪教授对量子力学的这一深层次理解,为信息范型,特别是交换信息是信息之源提供了坚实的科学基础,他甚至用一个系统图把认识论和本体论结合在一起,正如我们曾经把申农的本体论信息与维纳的认识论信息结合为广义信息范型一样,因为两人的公式完全一样,仅仅是正负号的差别[2]。由于交换信息是在测量中出现的,不同测量是可能性空间,如何转化为现实呢?倪教授强调只有通过测量,即变革手段才能实现从“自在之物”向“为我之物”的转化,也就是说由主客体的“结构信息”向“交换信息”的转化,如果光从客体一方分析(正如京剧舞台不设布景,把环境投射到演员的动作上,观众只看演员表演,就会客观地发现)则:“首先,通过适当的边界条件,近似地从‘自在之物’中分出准备考察的体系,用量子态|Ψ>[狄拉克引入时称为希尔伯特空间的一个(右)矢(Ket)]来表示,它是没有表象的,所以不含坐标x,在海森伯图景中,甚至也不含时间t(这是微观客体的相对静止的演出状态——引者注);然后,根据研究者希望观察什么现象,便选取测量什么量(例如一个粒子的位置x)的“假想仪器”,记为|x,t>,于是可得到相应的x表象中的波函数,记为Ψ(x,t)=<x,t|Ψ>,它是“量子态矢”|Ψ>在“坐标基矢”|x,t
>上的“投影”(也称为缩并或标积)。(《科学》55卷1期22页)
6、由此倪教授得出结论:“波函数是虚拟测量的概率幅。”既然是虚拟的可能世界,测量不破坏量子态的相干性,而虚拟测量得到的某种表象的波函数在该表象空间各点所反映的粒子,又是以“矛盾场”(主客体相互关系的交换信息过程)的形式而存在的。
一旦上述可能转化为现实世界,即“一旦当一个电子被探测器上的原子俘获,两者形成新的量子关联态,即此电子在一确定的x点被测量到时,这便是一个实际的矛盾转化过程,它使得原来虚拟的电子与周围环境相互作用的‘矛盾场’在空间其他各点立刻归于消失。这就是所谓波函数向x点塌缩的意义。”(《科学》55卷1期23页)
我们认为作为交换信息的具体形式的Ψ,表示潜在的可能性,反映虚拟的仪器与微观客体相互作用的关系载体,既实(表达客体的结构信息)又虚(可能出现的主客体相作用的交换信息)。表达交换信息的波函数既是人类历史上最伟大的发明,也为物理学提供了新的信息范型。
用观控相对论的信息范型看盖尔曼的量子力学新解释,就明白他论证的关键,恰恰是避开消干效应的主体性方面。
这种量子力学新解释告诉我们:经典物理学是可以从量子力学推导出来的,只有量子力学才是物理学惟一的理论基础。能否因此,玻尔的那种观点,就变得完全过时了呢?
关键在于消干效应并没有消除人的主体性在信息两重性(本体论和认识论)的人择作用:
(1)消干效应从客体结构信息上讲,可以起因于少数分子的随机涨落,但这方面的结构信息形成,由于牵涉到的能量太小,可以认为不属于客体间能量——动量交换式的相互作用;另一方面,从交换信息来看,它又不单纯“像那种只占微乎其微份额的能量的信息交换”。关洪教授猜测“是不是介乎能量型与信息型之间的、一种新型的相互作用或者相互影响呢?”(P184)这里正是关洪教授由于弄不清结构信息(本体论的)和交换信息(认识论的)关系,才导致他对玻尔观点的错误评价,盖尔曼的哲学结论同样导源于此。
(2)消干过程是一种不可逆过程,它必然会对时间箭头的机制有所贡献,信息是不可逆过程。想用经典物理(包括相对论、量子力学)来解释消干过程必然导致错误结论,这又将和大脑或神经元功能相联系的人的主体性联系起来!
(3)观察到的粗粒历史是经典信息(结构信息)没有观察到(或者不可能直接观察到)的精粒历史则是量子信息(交换信息)是测不准的,又必然回到海森伯那里。
霍尔顿曾说过:在现代物理学史上,还没有谁像年轻的海森伯那样对相对论如此执着,但1924年以后以玻尔为首的“哥本哈根学派”提出量子力学的统计解释并展开同爱因斯坦的论战时,海森伯却毫不犹豫地站在玻尔一边,这表现了海森伯的“吾爱吾师,吾更爱真理”的精神。
三、消干效应(decoherence
effect)的实质是“结构信息”
7、消干效应与物质聚变
(1)两种叠加规则与干涉
量子力学遵从的是用态函数或跃迁振幅表示的概率幅度的叠加规则,经典物理学则服从概率叠加规则。量子力学里存在着概率幅之间的干涉,经典物理学里不存在这样的干涉项。
(2)消干效应也不存在这样的干涉项
消干效应是指一个量子物理学系统,由于与其环境不可避免的相互作用,使得系统所处的、由某个观察量的多个本征态相干叠加而成的状态,不可逆地消去了各个干涉项,使系统的行为表现得就像经典物理学系统一样。
所谓消干效应说的就是,环境的影响会使密度矩阵的非对角元基本消失,实际只留下两个对角元,亦即是变成同经典物理学一样的概率分布。(《物理》2002.3
P181)
(3)BEC能否理解为消干效应呢?
1924年玻色用完全不同于经典动力学的统计方法,推导出普朗克的黑体辐射公式,接着爱因斯坦将玻色的方法推广到单原子理想气体,并预言这些原子当它们之间的距离足够近,速度足够慢时,将发生相变,变成一种新的物质状态,后人称之为玻色——爱因斯坦凝聚BEC(Bose-Enstein
Condenstates)。在处于这种状态的物质中,所有粒子都处于能量的最低态,并且有相同的物理特征,这种物质将粒子的量子特性通过宏观的方式表现出来。也就是说玻色——爱因斯坦凝聚体可看成是一种相干物质(空间各部分和其他部分都有关联,这种关联是相干性的体现),一种新的宏观量子状态的物质。由于BEC是一种长程相干的物质,整体可以用一个单粒子波函数来描述。理论表明这种单粒子波函数在处于旋转状态时,具有量子化的现象,这种现象称作量子涡旋。Vortex(量子起伏的单位图像既是一种圈态涡旋,也可以是一种孤波,量子起伏一开始产生的粒子是环圈结构,它的三旋所产生的波是几率波。一切物质的能量守恒、质量守恒,最终来源于时空量子起伏的零点守恒。)
首先,这一现象由JILA小组的科耐尔(Eric
A·Cornll)和维曼(Carl
E·
Wieman)在铷(87Rb)BEC中证实。三个月后,Ketterle也获得钠(23Na)原子的BEC,且信噪比高。
其次,环境促成BEC实现条件,更有深远意义。因为在实现玻色——爱因斯坦凝聚的条件中,原子间的散射长度起着决定性的作用,但理论表明,这种散射长度和作用于原子的磁场有关,在一定的磁场条件下,散射长度可以改变符号,这种现象称为Feshbach共振,而MIT小组的凯特利(Wolfgang
Ketterle)在BEC中研究了这一现象,才最终在实验中真正实现了BEC。从1924年提出BEC,到1995年实现BEC经过整整70多年的努力,这里除了具体的困难,是否还有观念的转换呢?
8、实现BEC的基础:激光冷却与新观念
首先由[法]Cohen-Tannoudji于1986年提出了一种冷却和囚禁原子的新方法。磁光阱(MOT)。这种方法由[美]
D.E.Pritchard 和朱棣文合作在实验上首先发现,才开始了在空气中直接冷却和囚禁中性原子的历史。而朱棣文先生正因为他在发展用激光冷却和捕获原子的方法方面所作出的巨大贡献而荣获1997年度诺贝尔物理奖。
BEC的研究中参与的小组很多,获奖的仅有三位,即科耐尔、维曼和凯特利荣获2001年的诺贝尔物理奖。
两奖之间的关系:正因为激光冷却成为冷却气体原子的一种最有效的方法,才使爱因斯坦将玻色的方法推广到单原子理想气体有了现实途径:原子距离足够近,速度足够慢时,将发生相变:变成一种新的物质状态=BEC。
玻色推导的普朗克的黑体辐射公式就成了
λ=h/p
h:普朗克常数
λ:德布罗依波波长
当粒子速度慢,原子温度足够低,入可达微米量级,原子平均距离短,每个原子都可“感觉”到其它原子的德布罗意波,才达到统一“步调”——这种情况如同激光束中的光子一样:各自处于相干的状态=这种状态的原子称“相干物质”。
“相干效应”所阐述的量子力学的当代观,是否摆脱了“经常被描述受到严格限制(即限制在外部的观测者要多次重复实验)和以人类为中心(anthropocentric)的样子”呢?
没有原子间的散射长度,能实现玻色一爱因斯坦凝聚的条件吗?而这种散射长度和作用于原子的磁场有关,凯特利为实现BEC提供了一定的磁场条件,才有Feshbach共振,而这和[法]C-T教授的学生1986年提出冷却和囚禁原子的新方案:磁光阱(MOT)的思路不是密切相关吗?这是不是仍然以人类为中心呢?
和[法]C——T一起获1997年诺贝尔物理学奖的朱棣文曾在北大百年校庆演讲上讲“生物学及其与物理科学的统一”提到在凝聚态物理学、软态物理学以及生物系统中,前沿领域存在于对越来越复杂的系统的进一步了解中。
他认为对于更复杂的系统(比如人类大脑的活动或一个活细胞的生命机制)不可能用基本的类似于薛定谔方程或牛顿方程这样的方程来描述。而是靠汇集很多直观的知识来进行,处理复杂系统可以参考材料学家合成一种新材料时的做法,他们是以一些基本原理和直觉的混合作为依据的。他由此想到费尔•安德森特别强调的一个结论:“当考虑的复杂由原子到分子,再过渡到凝聚态物质,每增加一个复杂的层次,研究方法都会有新的不同。这样研究生物系统,就可以使物理学家领悟到一些质的不同的新思想。”(《聆听大师》第9页)
这个新思想我以为就是观控相对论的信息范型。把系统和环境看作相对的主体和客体关系——当把系统看作是客体时,环境也就成了主体,生物学和物理科学的统一,人与宇宙的统一是两个对立面(相对的主、客体的“结构信息”)相互作用而形成“交换信息”的过程。这个被我们命名的“交换信息”广义地可理解为主体对客体的作用(狭义地说就是人在自然科学中的主体性地位)。而在物理文献中常常看到的例如“观察对现象的干扰”或“测量对客体物理特性的创生”之类的说法,代表了诸如“现象”、“观察”和“特性”以及“测量”等等单词的一种用法,这种用法很难和普通用法及实际定义相融洽,从而很容易造成混乱。《一个时代的神话(爱因斯坦的一生)》译者戈革认为“作为一种更妥当的表达方式,我们可以强烈地倡议,把‘现象’一词的使用,限定在只包括整个实验的描述在内的指定条件下得出的观察结果。——什么构成现象,其定义本身已发生变化,职业哲学家还没有完全充分地理解。”(P62)
物理哲学家关洪认为“玻尔和爱因斯坦都在不同的方面和在不同程度上,企图运用经典物理学的概念去理解或者说明量子力学的基本原理。在这方面,他们两人虽然各有得失,但总体说来,不过只是五十步笑百步”而已(P179)
是否真的这样,还可讨论,戈革认为“现象”一词,已得到几乎全体物理学家的认可,但爱因斯坦不认可。他直到逝世都坚决主张应该寻求一种更深层次的理论。不过我却相信,玻尔对量子理论的诠释,是我们迄今已有的最好诠释。这里我的理解是玻尔用“现象”一词表达了“交换信息”的实质。爱因斯坦不认可,还想寻求一种更深层次的理论,即独立于观察的“结构信息”,但他要找的“结构信息”和“交换信息”是两码事,怎么是五十步笑百步呢?
不过关教授无意中却指出了重要一点:“爱因斯坦从定域性观念,反映了他没有认识到量子力学里的非定域性关联的本质”,这关键的一点又恰恰证明关洪教授并未真正理解消干效应的本质。因为他既然知道“关于贝尔不等式的实验结果,表明爱因斯坦误用了经典物理学里的定域性或者系统的可分割性去理解量子力学”,用我们的理解是停留在“结构信息”层次无法理解“交换信息”。然而请问关教授是否想到“20世纪最后的十多年里,又异军突起地冒出量子力学的一种新解释,即‘多历史解释’或者称为‘消干历史方法’(decohering
histories approach)”不正是进入交换信息层次的一种诠释吗?
四、结论
M·盖尔曼在《夸克与美洲豹——简单性和复杂性奇遇》中的“量子力学的当代观”这一章结语中说“我们正在努力建构量子力学的现代诠释的目的,是想终止尼尔斯·玻尔所说的时代。”虽然他在第三章“信息和原始复杂性”中有了现代信息诠释的话语,可惜他没有从“结构信息”角度理解“描述长度”,也没有从“交换信息”角度来理解系统对背景的依赖性,他对克劳德••香农和诺伯特•维纳的信息定义未作本体论和认识论的区分,从而他不可能站在超越玻尔高度以终止尼尔斯·玻尔的时代。
M·玻恩1923年向哥廷根科学院提交一封信,提名玻尔和爱因斯坦为该院外籍院士。在玻尔的推荐中说:“他对我们这个时代的理论和实验研究的影响,比任何其他物理学的影响都大”。
过了40年,
1963年,H·海森伯在一篇玻尔悼文中写道:“玻尔对本世纪物理学家们的影响,比任何其他人的影响都更大,甚至比阿尔伯特·爱因斯坦的影响也更大。”(引自派斯)
又过了40年,
2003年底,本文的发表是想说明,盖尔曼量子力学新解释是想回到爱因斯坦的“结构信息”,这不但不能说明玻尔的“互补原理”已经过时,反而证明玻尔早已进入“交换信息”层次,就这个意义上说,前者是退,后者是进,难道玻尔的超前思想不是跨世纪的影响吗?
请关注下面的一段话:“由于受到环境不可避免的影响,使系统(微观的)发生消干效应,失去了波函数的相干性,它就表现为一个经典物理学系统。”
看来消干效应并不能解释清楚量子力学新解释的意义,倒是M·盖尔曼《夸克与美洲豹》的第二篇促成了我们的“观控相对论”的全新构想。
他的“量子力学的当代观”将以广义信息(结构信息与交换信息)范型来升华和发展玻尔的“互补原理”;
他的第三篇“选择和适应”将取代索罗斯的“反身性原理”;
他的“人择原理”弱形式将取代“人择原理”。
当然这种三者统一形式,不用现代信息范型是不容易说清楚的,而这已不是本文的任务,也许正是两种量子力学新解释观给未来科学界提出了新的挑战,我们也许只有转换视角,才能认识这一深刻含义。
参考文献:
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