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【名家说第30期】物理学家对量子力学的诠释

环球物理 · 公众号 · 物理 · 2017-05-10 23:19

正文

大家好，

这里是放眼宇宙世界、纵观物理发展、

科技人文共赏，环球物理

【名家说】！

前面我们已经分享了泡利对量子力学创立，

今天我们将继续跟大家分享——量子力学的建立

这一节我将会介绍物理学家对量子力学的诠释。

本文节选自北大物理学教授秦克诚先生的《方寸格致》！

量子力学的形式体系建立起来之后，它的诠释（即如何“翻译”成关于物理实在的论述）就提上日程了。一个物理理论必须和物理实在建立足够的联系。量子力学是关于微观世界的科学，它的研究对象和我们的日常经验相距甚远，这就使它的物理意义更加曲折而隐晦。矩阵力学从一开始就摈弃形象化思维，它提供的是一套算法。至于这套算法后面的物理过程，那是不清楚的。波动力学似乎提供了一种“连续的物理图像”，但事实上也只是一套算法的伪装而已。就连薛定谔方程所描述的复数波函数 ψ 到底代表什么，人们也并不明确。薛定谔本人的解释是，世界上没有粒子而只有波，观察到的粒子其实是波包，这种波的运动就用 ψ 代表，而 ψ 的绝对值平方 ψ *ψ 就代表物质密度。但是，这种解释不能贯彻到底。例如，它不能解释波包扩展，也不能解释多体问题的高维位形空间中的波函数。玻恩1926年提出概率诠释，ψ 是概率幅，ψ 的绝对值平方是概率。玻恩因此获得1954年诺贝尔物理学奖。波动力学的本质是：粒子运动遵从概率定律，而概率本身按照因果定律来传播。一个完全确定的力学方程，被确定的量本身却是一个概率幅，这真是神奇！正是在这一点上我们说量子力学实质上是一个统计理论，也是在这一点上爱因斯坦对量子力学不满意，爱因斯坦认为，至少量子力学对自然的描述是不完备的。“我相信有可能建立一个理论，它能给出实在的完备描写，它的定律确立事物本身之间的关系，而不仅仅是它们的概率之间的关系。……量子力学给人的印象是深刻的。但是一个内部的声音告诉我，这还不是真正的理论。这个理论给出了许多结果，但是并没有使我们离上帝的秘密更近一些。无论如何，我确信他不玩骰子。”为此爱因斯坦和玻尔终生都在争论。对爱因斯坦的话，玻尔回应说：“阿尔伯特，别吩咐上帝他该做什么。”

ψ 除了绝对值平方对应于概率以外还有相位，这个相位极为重要，它是所有干涉现象的根源。狄拉克认为，量子力学的主要特征并不是不对易代数，而是包含相位的复数概率幅的存在。

海森伯是因为想要抛弃电子轨道之类的概念而建立矩阵力学的，但是在描述微观现象时，仍然在使用这些概念，如云室中的电子径迹。为了澄清它们的意义，海森伯在1927年导出不确定关系，表明不能同时准确测定微观客体的坐标和动量（图31-7）。以前不确定关系曾被格外强调，一些人，用各种思想实验来说明测量必然带来干扰，是测不准的原因，这个关系式是对人类认识能力的一个基本限制；现在我们知道，它只是建立在波函数统计解释上的一个推论，只不过是熟知的傅里叶变换对偶宽度之间的关系：波包越窄，其频谱越宽。但是把动量和系统的频率联系起来，这里面有着深刻的波粒二象性的原因。

图 31-7（德国 2001）

图31-7的邮票是以小版票的形式发行的，每版10枚。在邮票的边纸上，印出了海森伯

的履历如下：

1925	1932	1942—1945	1946—1958	1949—1951 德国
量子力学的	诺贝尔物理学奖	柏林威廉皇帝	哥廷根马克	研究协会会长
建立者	得主	物理研究所所长	斯·普朗克学会
			会长

1949—1952	1952	1953—1975	1957	1958—1970
哥廷根德国科学	欧洲核物理研究	亚历山大·洪堡	被授予	慕尼黑马克
院院长	理事会副主席	基金会会长	“美德勋章”	斯·普朗克学会
				会长

除了在量子力学基本原理上的进展外，人们还用量子力学说明了许多物理现象，例如海森伯关于氦原子的理论，海特勒和伦敦关于连接同种原子的共价键（如氢分子）的理论，泡令的化学键理论，布洛赫对周期场中 ψ 波的计算，海森伯的铁磁性理论，伽莫夫用位垒穿透解释 α 衰变等。量子力学获得了巨大的成功。量子力学的数学基础也由诺伊曼严密地表述。到1930年前后，应当说，非相对论量子力学已经是一门定型的学科了，一些优秀的教科书也出版了（例如，狄拉克的《量子力学原理》初版出版于1930年）。量子力学已具有与今天基本上相同的面貌。但是，对它的一些基本概念及其认识论涵义则难以理解。玻尔就说过：“如果谁在第一次学习量子概念时不觉得糊涂，他就一点也没有懂。”许多物理学家对量子力学都抱着“知其然，不知其所以然”的态度，会用，但是不懂。费曼说：“我想我可以有把握地说，没有人懂得量子力学。……我来告诉你自然界如何行事。如果你接受我的说法，认为也许她的确这么行事，那么你将发现她是令人愉悦而且着迷的。千万不要问‘她为什么会这样？’如果那样你就会走进一条死胡同，到现在还没有人能走出来，因为没有人知道自然为什么会这样。”盖耳曼说：“全部近代物理学受那个叫做量子力学的宏大的、整个使人糊涂的学说支配。……它已经经受住一切检验，没有任何理由相信它含有任何瑕疵。……我们全都知道怎么用它，怎样把它应用到具体问题上去；因而我们已经学会与这一事实共处，但就是没有人能够懂得它。”

今天就先跟大家分享到这里，明天我们继续为大家分享——量子力学理论对一些化学基本问题的解释。

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