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量子力学上空的几朵乌云 精选

已有 8261 次阅读 2018-4-22 12:34 |系统分类:观点评述

 

十九世纪末期物理学上空存在著名的“两朵乌云”:一朵“乌云”是迈克尔逊-莫雷的干涉实验,证明了以太是不存在的,导致了相对论的诞生;另一朵“乌云”是黑体辐射的紫外灾难,导致了量子力学的诞生。量子力学的正统物理诠释是哥本哈根学派的诠释,其主要内容是波函数的几率解释、不确定原理、波包塌缩理论和玻尔提出的互补原理。大多数物理学家都是在哥本哈根学派诠释基础上来理解和阐述量子力学的。量子力学理论已经被无数实验事实所证实,获得了巨大的成功。但是,从量子力学诞生之日起,就围绕它的基本概念和物理诠释展开了一场广泛而深刻的激烈争论,至今尚未平息。爱因斯坦与玻尔的第一次论战发生于1927年10月在布鲁塞尔召开的第五届索尔维会议上。玻尔讲了量子力学的几率诠释和互补原理,在玻尔之后有几个人发言。然后爱因斯坦发言,反对量子力学的几率诠释。他的基本观点是:德布罗意波不是代表单个粒子,而是代表分布在空间中的一个粒子系综。这一次论战以玻尔成功地捍卫了互补性诠释而结束。但是,量子力学目前依然面临的如下困境。

1.波函数困境。自由粒子在量子力学中通常用平面波描述。这意味着一个粒子在空间任何地点出现的几率是一样的,显然与实验事实矛盾。例如,只有精确地调整单光子探测器的位置,才有可能探测到单光子源发射出来的光子。在量子力学中波包是由许多具有不同波矢量的平面波叠加的结果。如果用一个波包来描述自由粒子,显然与一个自由粒子具有确定能量和动量的事实是不相容的。一个自由粒子能否用一个波函数恰当地描述仍是一个没有解决的问题。

2. 不确定原理困境。根据不确定原理,一个粒子的动量和坐标不可能同时具有确定的值。可是,微观粒子可以与宏观粒子一样服从牛顿或相对论力学方程。这些方程可以同时确定地预言一个微观粒子的动量和位置,是粒子物理理论和实验研究的基础。不确定原理显然与这些事实是无法相容的。

3.薛定谔猫困境。薛定谔1935年提出了著名的“薛定谔猫”的思想实验。按量子力学的叠加原理, 实验中的猫就应该处于生与死的叠加状态上。 换言之, 这只猫既是活的,又是死的。这一结论显然严重违背了人们对客观世界的认识,是不能令人理解的。

4.量子纠缠态困境。根据哥本哈根学派诠释,如无论处于自旋纠缠态中的两个电子被分离得多么远,如果对其中一个电子进行了测量,另一个电子的状态就会瞬间发生变化。这种引起远距离电子状态发生变化的“作用”传播的速度是超光速的,爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”,无法给出合理的物理解释。

5.单光子干涉困境。单光子干涉一值是量子力学中难解的奥秘。现在许多单光子反聚束与干涉实验已经完成。如何恰当地解释或者理解这些实验对量子力学提出了更加严峻的考验。

这些困境如同漂浮在量子力学上空的几朵乌云一样,近百年来一直笼罩在许多物理学家的心头。同时,这些困境也告诉我们:哥本哈根学派诠释存在着严重缺陷,有待于进一步完善和修正。

 




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