【名家说第30期】物理学家对量子力学的诠释

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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：

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