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量子力学为何如此诡异?

作者:admin    来源:互联网    发布时间:2020-07-01 06:29    浏览量:

哥本哈根学派的补刀“嫁接”,造成确定性的薛定谔方程“树杈上”,开出概率性质的波函数“奇葩”,致使量子力学陷入无法自洽的困境。

量子力学是继相对论之后,20世纪物理学取得的重大的成果,也是被众多的实验所证实,描述微观领域现象最精确的理论。但奇怪的是,确定性的薛定谔方程,却有一个概率性质的波函数,以至量子力学从它诞生之日起,就陷入了无法自洽的困境,由此引发的各种怪异问题层出不穷,让科学家伤透了脑筋。

薛定谔为什么要引入一个“非定域性”的波函数,它的物理意义是什么?薛定谔方程的建立机制,以及它所描绘的物理图像至今没人知道,这些无疑都是量子力学诠释的关键。为了剥开这层层迷雾,有必要对薛定谔当初构建波动力学时的情景,以及可能有的思络做一简单回顾,看看问题到底发生在哪里。

量子力学的发端,始于20世纪初期。德国物理学家普朗克提出量子论,成功地解释了黑体辐射现象。随后,爱因斯坦进一步提出光量子理论,对光电效应进行了全面的解释。证明不仅黑体和辐射场的能量交换是量子化的,而且辐射场本身就是由不连续的光量子组成,也就是说,光具有波粒二象性。1916年,美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释。1924年,德布罗意开创性地提出:实物粒子也具有波粒二象性。

诸多现象的实验与研究,越来越多地暴露了经典理论在微观领域内的局限。一些科学家开始思考着如何突破经典理论框架,提出一个全新的理论来解释这些怪异现象。受德布罗意物质波启发的薛定谔,开始从氢原子光谱入手,构造新物理的量子力学波动方程。

依据牛顿引力方程知道,引力具有瞬时(超距)作用效应。如果参与其中的仅仅是有限区域的粒子质量,则势必与牛顿定律相矛盾。因此,必然隐含着瞬时(超距)作用的一项。与传统“定域性”作用的区别在于,它能够散播在宇宙空间的每一处,而且是瞬时性作用 。前者具有“定域性”作用的物质项,就是我们通常说的“粒子”,后者“非定域性”的波动项无疑就是“波”了。参与牛顿力学引力作用的是它们总体的效用。

由此,引入一个“非定域性”的波函数,构建量子力学方程顺理成章。再者,实物粒子的波粒二象性,以及量子论所揭示的本质,远不是波尔互补原理想象的那么简单。真正的微观实在是量子态。它是由物质态(粒子)与波动态(波)组织、整合而成的不可分割的整体。在量子内部,必然有一个高效的指挥中心与信息处理系统,作为完成这整合作用的组织者与领导者。它是量子的唯一标识与主宰。不管量子内部各个部分的“细胞”,因为演化而被替换了多少遍,量子都会被自身以及外界所感知与唯一标识。而波与粒子的行为,作为量子整体不可分割的部分,隐藏在量子的内部,无法被外界所识别。

氢原子光谱实验表明:原子只发射特定频率的光,当频率改变时产生跃迁。既然这诸多微观现象实验表明,微观粒子的能量(频率)是一个可观测量,并且是量子化的(微观实在是不可分割的整体-量子态),因此,能量是量子态的表征与度量,首先应当在粒子的运动方程和它的能量之间建立关系。

如果类似经典力学那样,假设描述粒子运动状态的波函数是空间与时间的函数,即ψ=ψ(r,t)。那么,波函数绝对值平方所表示的量|ψ(r,t)|^2,应该是粒子系统的能量密度。它在分布空间里的积分,就是粒子的总能量:w(r,t)=с|ψ(r,t)|^2dxdydz(式中^、分别表示乘方与乘,с是比例常数)。

因此,为了能够与氢原子光谱实验的定态相一致,由波函数描述的氢原子系统的总能量,首先必须是一个与时间无关的常数。

其次,为了使波函数也能适用于含有激发态的原子,可以将t时刻处于跃迁状态的能量函数,看作是一个宽度接近于零的脉冲波包。信号的频谱分析表明,一个波包能够由很多单色波叠加合成。对应于“波包”一样的能量函数,它的波函数应该也是一个“波包”,自然也可以由平面波的叠加来合成。

从以上思路来看,先依据氢原子光谱实验,建立波函数满足的定态方程,从而求得满足定态方程的先决条件:波函数必须是平方可积的(特别是,波函数的归一化定义了量子—构筑宇宙大厦最小单元的物理涵义),以找出波动方程的定态解。

所以,按照上述推理思路,波函数以及波函数叠加、能量函数以及能量函数的叠加,它们可能有的物理意义:

1.)波函数描述氢原子内部作用的物理图像:波函数是由所有定态平面波线性叠加而成。一个可能的解释是:散播于空间之中的所有波动项与所有的物质项,在受到扰动时,能够瞬间整合成为一个整体-量子,对外显示作用效应。

2.)能量函数描述氢原子的整体状态-量子态的物理图像,量子态(能量函数)可以表示成几个能量函数的叠加。

从而,最后的落脚点,就是要找出波函数所需要满足的波动方程,也就是薛定谔方程如何建立导出。很多教科书上都有通过类比经典力学,从平面波形ψ(r,t)出发,推导出薛定谔方程的过程。大致如下:假设ψ(x,t)是一平面波

那么,将薛定谔方程应用到氢原子结果会怎样?通过求解氢原子的定态薛定谔方程,所得到的氢原子的能级表达式与波尔提出量子化假设所得到的能级完全一致。

而且,当氢原子的电子从高能级跃迁到低能级将辐射电磁波,其波长与频率与实验得出的里德伯-里兹公式(任一谱线的波数等于其他某两条谱线的波数之差或和)的计算结果符合的很好。也就是说,具有激发态的氢原子的能量函数(谱线的波数)确实可以由其他两个能量函数(谱线的波数)的叠加(之差或和)求得。

综上所述,通过引入波函数构建薛定谔方程,并以平面波叠加模拟脉冲波包的方法,来给形式逻辑体系打“变化”补丁,由此构造出来的波函数,以及波函数叠加的物理意义,由于隐藏在量子“黑箱”的内部而无法被外界所感知、识别。但其能量函数的叠加,与光谱实验相吻合,因而描述了微观实在的属性-量子态。

所谓的量子叠加,反映的事实是:微观粒子都是由物质态(粒子)与波动态(波)两部分叠加组成。而微观领域内的诸多实验所揭示的量子化表明,粒子相互作用的结果,必然产生了一个指挥中心,将它们组织、整合成为一个不可分割的整体。所以,那些说量子是由它的两个部分的叠加,以及量子可以同时处于两个可能状态,都是错误的。

量子叠加只能描述量子内部所发生的量变现象,而描述事物“质变”的逻辑,是科学所依赖的形式逻辑不具备的。显然,将这两个部分整合成为一个整体-量子,所发生的质变现象,只能靠归纳实验事实推断得出来。

所以,量子是微观与宏观的界限。量子如同是由一些微观的板块组合预制的标准件,宇宙大厦中的每一个客观实在,都是由这一块块量子垒砌、整合而成的整体。它们之间的相互作用,都是量子的整体效应。

从以上分析过程不难看出,不仅薛定谔方程是确定性的,而且波函数绝对值平方所表示的量|ψ(r,t)|^2(粒子系统的能量密度),在分布空间里的积分所表示的原子总能量,对应的原子实验光谱能级,也是确定性并且是量子化的。与玻恩的概率解释根本风马牛不相及!玻恩将定义量子的波函数归一化条件,臆测为波函数的几率诠释,海森伯不确定性原理以及玻尔的互补原理,也都是将量子某个部分的特性与行为,当作是量子整体的行为。从而将因果性、确定性的量子力学,改造成随机性的统计学理论,以至于它一方面与实验相符合,另一方面却同人们的日常感知格格不入。从而将物理学拖入玄幻、诡异的迷雾境地。

爱因斯坦是量子群英之中少有的睿智者,他的一些基于直觉的判断,都是非常敏锐与正确的,也是唯一一个坚持不懈努力抗争。相对论“光速不变”原理的局限性(光速不变假设,与牛顿的引力瞬时作用相矛盾,无法描述超距作用),是他否定量子纠缠“非定域性”的原因。耗费大量时间纠缠,而不是找出哥本哈根学派的错点、弱点各个击破。导致他与波尔的辩论最终败北。但事实的确如爱因斯坦所说:上帝是不会“掷骰子”的。

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