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量子力学忽视的问题

已有 2708 次阅读 2021-6-11 00:15 |系统分类:教学心得

量子力学忽视的问题

目前,量子力学的应用非常广泛,从微观领域到宏观领域,从物理学到工程学和社会学等等。但是量子力学一些基本问题尚未解决,量子力学存在的问题应该是多方面的,其中有三个方面的问题是非常明显的,并且是容易解决的。

第一个问题——基元函数问题

以光学领域为例,目前的量子光学以平面波作为电磁场的基元函数,平面波再和线性谐振子建立联系,再利用粒子数表象、产生和湮灭算符,构建光的全量子理论。此方法形成的光子理论相当于把坐标系的原点放在无穷远,在处理单个原子发射光子时,原子的坐标体现不出来。

描述电磁场,可以选择多种形式的基元函数,在研究具体光学问题,应选择本征态作为电磁场的基元函数。波动光学发展史上的几次重大飞跃,可归结为正确选择本征态作为电磁场的基元函数。光在介质表面反射时,本征态是电矢量垂直入射面和平行入射面分量;光经过小孔或窄缝时,波面的尺寸太小,不能再用平面波作为光场的基元函数,这时应该选择球面波为基元函数(惠更斯子波),孔或缝边界限制子波的数量,惠更斯子波就是本征态;光在各向异性晶体中传播时,o光和e光这两个偏振光就是系统的本证态;光在旋光介质传播时,左旋和右选圆偏振光就是系统的本征态。

有波的地方不一定存在平面波,但是必定存在波前和惠更斯子波。在研究光与原子相互作用,应当选择惠更斯子波做为光场的基元函数。即采用以原子为中心的惠更斯子波(非对称球面波)作为光场基元函数(属于本征态),选择惠更斯子波作为光场的基元函数和以往的理论相比,就是将坐标系原点从无穷远位置挪到原子上。

选择惠更斯子波作为光场的基元函数,能以最简捷的方式说明原子受激辐射不是光子克隆、能很好解释原子发射和吸收光子过程、也可以研究瑞利散射和宏观介质的色散。

第二个问题——忽视自由度问题

在光子(或其它粒子)衍射(干涉)时,衍射粒子和入射粒子的方向不同,表明衍射粒子获得了横向动量,此动量来自衍射(干涉)屏,如果观察大量粒子衍射,可以确定衍射屏提向粒子供动量概率分布,根据这个概率分布,可以得到衍射屏构造参数。

如果已知衍射屏的构造参数,可以推断衍射屏的振动模式,这些模式与固体中的声学波(和光学波)机制相同,这些声学波或光学波都有一定的动量,当外界有粒子和衍射屏作用时,光学波(声学波)的动量可能转移到粒子上,当粒子离开衍射屏时,粒子出射方向和入射方向不同,根据衍射屏的振动模式,就可计算衍射场的分布。电子照射衍射屏时,即使电子不具波动性,衍射屏的振动模式影响电子的方向,在观察屏依然能获得“干涉”图案。

如果衍射屏是缝和孔这些简单形状,可以根据驻波条件得出衍射屏的振动模式。衍射屏的振动模式可等效为准粒子,分析粒子衍射过程,可以用入射粒子和准粒子动量合成方法。

在研究在光子(或其它粒子)衍射(干涉)时,不应该把衍射屏看成静止的,而应充分考虑衍射屏内的复杂运动,这些运动就是“隐变量”。

第三个问题——忽视对辐射源的分类

关于光强,经典理论和量子力学的描述差异最明显,经典理论的用光振幅模的平方表示,量子力学用普朗克常数和振动频率乘积表示。如果想实现经典理论和量子对光强描述的统一,首先确定光辐射源的类型,这可以参照电学对电源的分类。在电学对电源的分类很细致,有恒电压源,恒电流源、恒定电量源、恒定功率源和恒定能量源等。

所以研究原子跃迁时,必须明确原子是一个恒定能量的脉冲源。

总结

量子力学诞生100多年了,其理论的很多基本问题尚未解决,更谈不到量子力学改变哲学。由于很多机制和过程被忽略,影响量子力学的完善和发展。研究量子力学,既要重视实验方法,也要注重数学分析方法。




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