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量子浅说(五):量子基本概念与特点

时间:2020-06-12 21:19

在上面两篇文里我们分别简介了矩阵力学与波动力学,这两个旧量子论的升级版它们共同结束了旧量子论的时代,标志了现代量子理论的诞生。有人会问:为什么会出现这两个版本?这两个版本有什么关系?哪个更好?为什么不取消一个版本只代之以一个版本?这些问题涉及到关于量子力学的基本概念与特点问题。

我们都知道,数学是物理学的极为重要的工具,量子物理更是离不开数学。数学和物理学中有一个最共同的基本宗旨,即其理论是对客观世界的尽可能正确的描述与体现,这些描述体现了我们对客观世界的想象(imagination)。所以,这里涉及到一个科学可视化(scientific visualization)理论结构的重大问题。通过“可视化”,我们建立模型与理论,试图理解客观世界,从而可以预测与应用。

我们都知道,数学是一门抽象的科学。任何再抽象的数学模型与理论,可以用次抽象的数学模型与理论,经过一步一步的数学证明。如果你不懂这个次抽象的数学模型与理论,又可以通过次次抽象的数学模型与理论,经过一步一步的数学证明,……,如此类推。所以,数学证明就是一个“可视化”的过程,数学同时又是一门“可视化”的科学。

任何再抽象的物理模型与理论,也是如此,可以用次抽象的物理模型与理论来证明。如果你不懂这个次抽象的物理模型与理论,又可以通过次次抽象的物理模型与理论来验证给你看,……,如此类推。所以,量子物理再高深,同时也是一门“可视化”的科学。这个“可视化”的程度,取决于你所掌握的数学与物理的抽象度。

“可视化”可能是我们具体地看得见、摸得着的,可是还有很多很多是看不见、摸不着的。对于看得见、摸得着的事物,所总结出来的模型与理论,比较容易接受与统一;可是对于看不见、摸不着的事物,所总结出来的模型与理论,就难以得到接受与统一。

量子,微观世界里如此细微的东西,该如何“可视化”呢?这是多少年来人们极力寻求的问题,即是量子力学需要解决的根本问题。因为量子看不见,但是我们又不能对这样一个100多年来经过多少代人努力证明成功的理论,可以一言以蔽之,因为没看见所以不存在,或是荒谬的。

因为量子看不见,某个公认为提供良好模型的方法,可能与另一个公认为提供良好模型的方法不同,都能够在不同情况下提出模型以获得最佳“可视化”。我们说,这两种理论是等效的,但是提供了不同的模型来建立直觉。所以矩阵力学与波动力学,就哪个模型理论提供了最佳方法的公平争论就不足为奇了。

旧量子论被现代量子理论更新换代,不是说就完全没用。玻尔在1913年所提供的原子模型颇具“可视化”吸引力,仍然延传至今。从某种意义上说,也许它只是我们所希望能看到的模型,它为宇宙中的极大与极小之间提供了令人愉悦的统一。一切是由原子组成,原子本身成为宇宙星系的微缩模型,这正是我们可能会感觉到世界应该存在的方式。量子世界是如此的细微,极小就像极大一样,世界变得令人感到如此地和谐统一。

旧量子论与新量子理使我们现在可以对神秘的量子世界有了一定的认知,下面是所认知到的关于量子的基本与简要的概念与特点:

对量子的认知,离开了对量子的“波动性”与“粒子性”的描述,就无法认知。在同一测量中不可能同时认知“波”与“粒”的两个方面。量子对象可以显示出波动性,也可以显示出粒子性,这称为波粒二象性。量子力学提供了量子对象所有发生的可能性,所有可能发生的情况确实会发生。量子对象可由称为波函数的数学结构来描述。不能直接观察或测量到这个波函数。量子对象可以同时处于多个可能的状态特征,它们可以在这里和那里,这称为叠加。我们用于对量子对象进行实验测量的设备本身是宏观的,因此它们自然地可以测量出诸如位置和速度之类的经典结果。但是你无法同时确切地知道量子对象的两个属性。对量子的认知具有内在的、不可侵犯的、一定的不确定性,这是不确定性原理。描述量子对象的波函数随时间平滑变化,如何随时间变化由薛定谔波动方程给出。进行测量时,作为测量的直接结果,波函数会立即变为一种奇异状态。不可能同时认知量子对象所有属性。这些可能的属性必须用概率来描述。对自然世界的描述本质上是概率性的。波函数的平方提供了有关未来测量概率的信息。你无法在不打扰的情况下对量子对象进行任何测量。所以人类观察者不能被排除在量子理论之外:它变得不可避免地具有主观性。从微观的量子对象开始,随着我们逐渐考虑越来越大的系统,量子力学描述必须接近经典力学的认知。量子对象可以在很远的距离内立即相互影响:爱因斯坦称为“幽灵般的超距离作用”,这称为纠缠。量子纠缠是否具有与如何具有真实性条件的问题至今仍然存有争议。

量子还是一个神秘的事物,量子还没有被完全认知。量子还是那个量子,还是隐藏在山花烂漫的微观丛中,但是人的认知却不一样了。量子的历史就是一部人类不断认知世界的历史。

人们对量子的认知还在不断地深入发展,这个认知过程永远不会完结,人们对量子的认知永远不会不会停留在一个水平上,总会不断地“有所发现,有所发明,有所创造,有所前进”。有人可能会为此感到沮丧,这样地无边无尽下去何时了?其实,尽头的结果相对地并不重要,关键的是过程,是在这过程中对量子的认知所带来的文明及其应用成果。

地球上具有生命的历史约35亿年,人类的出现不过是约50万年的事。在这约50万年的时期里,人类的发展经历了约四十多万年的旧石器时代、两千年的石器时代、三千年的新石器时代、一千年的铜器时代、两千年的铁器时代、一千年的古代社会、五百年的中世纪社会、五百年的现代社会,才发展到今天的社会。

仅仅在100多年前诞生的量子理论,揭开了现代物理学的序幕,改变了人类对微观世界的认识及宇宙观,改写了统治科学与哲学两百多年的经典物理学的机械决定论。量子理论经过这100多年来的实践证明是一个成功的理论,并成为几乎当代所有科学技术的重要基础。在下篇文章里,我们再谈谈量子的应用。