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量子力学的鬼魅:既生又死的状态

在今日看来,已经没有人再会去对量子力学产生怀疑了。

但是,在量子力学诞生的年代里,它却如鬼魅般折磨着科学家们,甚至曾经提出它的科学家们都曾极力地去否决它。

粒子不确定性运动

不确定性原理

在普朗克提出量子说、爱因斯坦提出波粒二象性之后,科学家们就在尝试如何去解释波粒二象性及其测量问题。

但是,随着人们对微观粒子的行为进行研究时,一些奇特的现象就出现了。

1927年,德国科学家海森堡在其论文中如此设想:

用一个γ射线显微镜来观察一个电子的坐标,因为γ射线显微镜的分辨本领受到波长λ的限制,所用光的波长λ越短,显微镜的分辨率越高,从而测定电子坐标不确定的程度就越小,所以

△q∝λ

但另一方面,光照射到电子,可以看成是光量子和电子的碰撞,波长λ越短,光量子的动量就越大,所以有

△p∝1/λ

再比如,用将光照到一个粒子上的方式来测量一个粒子的位置和速度,一部分光波被此粒子散射开来,由此指明其位置。

海森堡

但人们不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间的距离更小的程度,所以为了精确测定粒子的位置,必须用短波长的光。

但普朗克的量子假设,人们不能用任意小量的光:人们至少要用一个光量子。这量子会扰动粒子,并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。

所以,简单来说,就是如果要想测定一个量子的精确位置的话,那么就需要用波长尽量短的波,这样的话,对这个量子的扰动也会越大,对它的速度测量也会越不精确;

如果想要精确测量一个量子的速度,那就要用波长较长的波,那就不能精确测定它的位置。

于是,经过一番推理计算,海森堡得出:

△q△p≥ħ/2ħ=h/2π, h:普朗克常量)

海森堡写道:“在位置被测定的一瞬,即当光子正被电子偏转时,电子的动量发生一个不连续的变化,因此,在确知电子位置的瞬间,关于它的动量我们就只能知道相应于其不连续变化的大小的程度。于是,位置测定得越准确,动量的测定就越不准确,反之亦然。”

这个理论曾经被称为“测不准原理”。但是,如此称谓却给人们一种错觉,因为里面明显存在一种“观察者效应”在里面干扰微观粒子的行为。

那么如果观察者不去观察粒子,粒子的行为是不是就不会不确定了呢?

后来科学家厄尔·肯纳德也在同年得出海森堡类似的结果,而且他通过数学证明,微观粒子的不确定性行为与观察者的行为并没有关系。

因为根据方程式人们可以清晰地看见,此时的微观粒子的运动其实除了具有粒子性也具有波动性,而就像所有波的系统一样,波的运动轨迹是无法确定的。

波动性:同一位置的粒子的上下运动轨迹

所以,微观粒子运动的不确定性是粒子固有的,并不与观察者效应有关。也正是出于这种目的考虑,现在人们在表述这一特性时,已经不再使用“测不准原理”,而改用“不确定性原理”这一称谓。

粒子波动行为

玻尔的互补性原理学说

就在海森堡提出不确定性原理的同年,玻尔提出了量子互补性原理。对于海森堡的微观粒子的位置和动量二者不可同时测量的特性。

玻尔如此解释到,在经典宏观世界里,人们可以用同一种设备去不断测试物体的性质,而测试所带来的差异对实验结果的影响微乎其微,所以并不会影响人们去获得物体的完整的属性。

但是,当到了微观世界,任何测试手段都将作用或部分作用于微观粒子,而这种测试行为却将引起微观粒子的属性发生根本改变,所以无法用一种测试方法来获得微观粒子的所有信息。

因此不能用同一个实验去测量物体所有的性质,不同的实验也就可能得出互相矛盾的结果,这些结果无法放到一个统一的物理图景中,只有用互补原理这个更宽广的思维框架将这些互相矛盾的性质结合起来,才能去尽量更完整地描述微观现象。

玻尔

当时玻尔为什么会如此构思,其实是有其背景环境的:

3年前德布罗意提出物质波,2年前玻尔的学生海森堡从对应原理提出矩阵力学,而1年前年薛定谔从波动性导出波动力学,后来证明这两种力学在数学上是等价的。

这些结果表明,不论从粒子性还是从波动性进行理论分析都会得到相同的结果。

于是,在此基础上,玻尔提出:光和粒子都有波粒二象性,而波动性与粒子性又不会在同一次测量中出现,那么,二者在描述微观粒子时就是互斥的;另一方面,二者不同时出现就说明二者不会在实验中直接冲突。同时二者在描述微观现象,解释实验时又是缺一不可的。因此二者是“互补的”。

双缝干涉:波粒二象性

哥本哈根学派诞生

在卢森堡提出不确定性原理,玻尔提出互补原理之后,以丹麦哥本哈根为代表的学术团体正式形成。在他们的理论发展过程中,概率特性伴随着微观粒子的始终。当年人们由马克斯·玻恩所提出的波函数的概率表述发展出不确定性原理,量子理论中的概率特性便不再是猜想,而是作为一条定律而存在了。

电子云

既然,微观粒子存在概率行为,自然玻尔等对量子行为的解释就不再满足于去寻找“经典”的解释方案。

在薛定谔提出波动力学之后,玻尔等人尝试用概率幅的概念去解释量子行为。虽然薛定谔本人对此明确表示反对,但是,量子力学中的“鬼魅”却产生了。

在哥本哈根学派的理论中,粒子本身的状态就有概率性,而在概率性的背后有着它背后的“波函数”。

薛定谔

当波函数坍缩,粒子出现与否就见分晓,而在波函数坍缩之前,粒子的状态是“混沌”的。也就是说,粒子介于“出现”和“不出现”之间!

显然,这种现象是违反经典世界观的,因为我们从未看到有种东西可以处于“既生又死”的状态。于是,爱因斯坦对此进行反驳,他认为波尔等的思想是极其荒谬的。他坚持“上帝是不会掷骰子的”。波尔的学说是违反逻辑的。

支持爱因斯坦的薛定谔为此提出了一种“既死又活的猫”的思想假说,以试图证明波尔等人的错误。

薛定谔的猫

他指出,将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。但是是不可能存在既死又活的猫,则必须在打开箱子后才知道结果。

但是万万没想到,薛定谔的猫非但没有将波尔等人的驳倒,却在宣扬哥本哈根学派解释下的量子力学学说起到推波助澜的效果。

既然,科学界对量子力学有如此大的分歧,那自然调和这种分歧就需要碰撞。

于是,物理学史上著名的量子力学大辩论就此拉开序幕。双方辩论的主力分别是波尔和爱因斯坦。篇幅所限,具体内容就不再细述。但是其争辩的结局却是,谁也说服不了谁!

爱-玻之争

爱因斯坦在论战中一直试图去证明哥本哈根学派的错误,但是所有努力却都被波尔等化解。

在当时,鉴于爱因斯坦在科学界的权威,以及波尔等人的学说的“非经典性”。人们对此都持迟疑状态。

但是,根本哈根学派对量子力学的解释却因此进入大众的视角。

随着爱因斯坦的去世,人们似乎再也无法组织像样的对量子力学的攻击。

于是,量子力学慢慢在科学界赢得更多支持。

既是粒子又是波

1996年,美国科学家宣布,他们成功让6个铍离子系统实现了自旋方向完全相反的宏观量子叠加态,也就是量子力学理论中的“薛定谔猫”态。

Monroe等人用单个铍离子做成了“薛定谔的猫”并拍下了快照,发现铍离子在第一个空间位置上处于自旋向上的状态,而同时又在第二个空间位置上处于自旋向下的状态,而这两个状态相距80纳米之遥!(1纳米等于1毫微米)——这在原子尺度上是一个巨大的距离。

想像这个铍离子是个通灵大师,他在纽约与喜马拉雅同时现身,一个他正从摩天楼顶往下跳伞;而另一个他则正爬上雪山之巅!——量子的这种“化身博士”特点,物理学上称“ 量子相干性”。

1997年,在一场量子力学研讨会上,举行了一个关于诠释论题的意向调查,根据这调查的结果,超过半数的物理学家对哥本哈根诠释感到满意。

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