1樓：匿名使用者
量子理論,是匯出量子力學的基礎理論,也是匯出量子電動力學的基礎理論之一.尼?玻爾指出:
誰不為量子理論所震驚,誰就不理解量子理論.自從量子理論創立以來,就一直受到來自各個方面的質疑——這些質疑對於量子力學的正確性和應用無關,而是牽扯到關於量子力學理論的物理解釋——愛因斯坦是量子理論的早期創立者之一,也正是他最堅定地質疑和否認量子理論的完備性.愛因斯坦和玻爾之爭,已經成為科學史上的重大事件.
儘管人們現在傾向於認為愛因斯坦的努力是徒勞的,但是在愛因斯坦和玻爾身後,對於量子理論的質疑從未停止過.甚至在物理學家中,也存在許多種不同的理論模型闡述量子理論的本質.從來沒有一種解釋模型在物理學家中取得壓倒優勢,更不用說取得共識了.
這是很不尋常的事,科學理論與哲學理論、社會理論、經濟理論不同,科學理論因其能夠取得高度共識而聞名,在科學史上,從來沒有一種完備的理論得到廣泛的實驗結果支援而從未發現一個反例,並且在實際應用中取得巨大成就之後,仍然受到長期而廣泛的質疑——但是,量子理論除外.
關於量子理論的爭議和質疑並不侷限於物理學內部,更多的與人們的哲學觀念有關,特別是與人們關於"實在"的認識有關.
一、量子理論是什麼?
量子理論是為了解釋和預言微觀領域(基本粒子、原子、分子領域)的特殊現象提出的一系列獨立假設.從這些假設可以匯出量子力學.並不是所有這些假設都受到質疑——比如"普朗克-愛因斯坦量子假設"、"海森堡不確定性假設"、"量子態演化假設"(薛定諤方程)——現在人們很少或者不再質疑這些假設,仍然受到質疑的主要是"波粒二象性假設"、"量子態疊加假設"和"量子態坍縮假設".
下面說明一下這些假設的含義(大致瞭解量子理論的人可以跳過):
1、"波粒二象性假設"宣稱:微觀領域的物件,比如光子、電子這些事物,它們既是粒子又是波;或者說它們既不是粒子又不是波,但是可以表現出像波一樣的現象——它具有"似波性",也可以表現出像粒子一樣的性質——也具有"似粒子性".在雙縫干涉實驗中,轉播途徑中來自兩條縫的光相互干涉,表現出十分確定的"波動性";但是到達顯示屏的時候,總是作為一個個完整的光子被觀測到,表現出十分確定的"粒子性".
量子理論的標準解釋——哥本哈根解釋認為這並不矛盾,而是互補的關係.粒子在傳播途徑中表現出波動性——它像某種波一樣傳播,表現出波所具有的特殊性質:衍射、干涉、散射等;粒子在發射或者到達的時候,總是表現為一個個完整的粒子,表現出不可分割的粒子的性質.
這兩種性質結合在一起,構成了粒子完整的性質——波粒二象性.哥本哈根解釋宣稱:我們絕不會遇到兩種相互矛盾的性質同時表現出來的單一實驗.
事實確實如此,至少迄今為止,我們並沒有發現這樣的實驗.
2、"量子態疊加假設"宣稱:在沒有被觀測的時候,粒子並不像巨集觀物體一樣表現為某種固定的狀態,而是表現為極為不同的量子狀態——量子態.這種量子態由"波函式"來描述,有關波函式的薛定諤方程,則描述沒有被觀測的時候,波函式隨時間的變化規律.
與巨集觀物體更為不同的是:粒子不一定處於一種單一的、確定的量子態,也可以處於兩個甚至兩個以上量子態的疊加狀態.
愛因斯坦對這一假設十分不滿,他深惡痛絕這一假設包含的"超距作用的幽靈".
在雙縫干涉實驗中(為了簡單而又保持理論的本質,本文儘量採用雙縫干涉實驗和偏振光實驗舉例.儘管光子的性質比較複雜,實際上並不屬於量子力學,而是屬於量子場論(量子電動力學)的範圍,但是這些關於光子的實驗在解釋量子力學原理的時候更加簡潔直觀,而且不影響理論的本質.一些大師級人物也是這樣處理的.
)光子通過(縫1)是一種量子態ψ1,光子通過(縫2)是一種量子狀態ψ2,按照我們在巨集觀世界觀察到的經驗,一個物體要麼經過(縫1),要麼經過(縫2),一個穿過了雙縫的物體,要麼處於ψ1態,要麼處於ψ2態,不存在其他可能.在這裡,量子理論與我們日常經驗有根本的衝突,"量子態疊加假設"堅稱:在沒有被觀測的時候,一個穿過了雙縫的光子,不可能處於ψ1或者ψ2的任何一種狀態,而是處於這兩種狀態的疊加狀態,也就是(ψ1+ψ2)這種奇怪的量子態.
無法對(ψ1+ψ2)這種量子態給予實在的解說,不能用現實中的經驗事實形象地說明(ψ1+ψ2)這種量子態究竟是什麼樣的狀態.這似乎暗示著同一個光子以某種未知的方式同時穿過兩條縫,但是哥本哈根解釋拒絕這種看法,玻爾和其他哥本哈根解釋的捍衛者們堅持一種更加激進的哲學,他們認為在沒有觀測的時候宣稱粒子穿越某一條縫或者是穿越了兩條縫,這是沒有意義的.人能夠觀測的只有現象,現象,是人們能夠觀測的最終的實在,不能假設在現象的背後還有一種不可觀測的神祕的實在——比如物自體等等.
現象只有在被觀測之後才成為現象,在沒有觀測的時候,就沒有現象存在.沒有被觀測的時候,問粒子穿越某一條縫或者是穿越了兩條縫,這是沒有意義的,因為那裡並沒有任何現象發生.
量子態疊加假設十分重要,是量子理論不可或缺的環節,它能夠和其他假設結合,解釋和**一切有關的物理現象,精確到使人驚異的程度,更加令人印象深刻的是:從來沒有一個與其**不符的事例被觀測到.
三、"量子態坍縮假設"自始至終受到最為廣泛的質疑,很多物理學家被迫接受量子理論的多世界解釋、系綜解釋等,就是因為不能容忍這個難看的瘡疤."量子態坍縮假設"宣稱:在沒有被觀測的時候,粒子的量子態按照薛定諤方程演化,每一個描述粒子狀態的力學量(比如動量、位置等等)都不是唯一的,都存在幾種甚至許多種可能的值.
每一種可能的值出現的概率不同,但是出現的概率是確定的——這有薛定諤方程決定.一旦進行觀測,隨時間演化的量子態立即坍縮.只有一種可能性立即成為現實,出現其他值的可能性立即變為0,其他值出現的概率立即變成0.
隨時間演化的波函式立即終止,一個新的波函式從這裡開始,仍然按照薛定諤方程描述的形式開始隨時間演化.
比如在一個封閉的真空的箱子中發射一個電子,電子一旦離開發射器,只要沒有被觀測,它的波函式就開始按照薛定諤方程隨時間演化,它有可能在箱子裡任何地方.在任何時間、任何一個位置都有一個出現的概率.並不是電子確實在某一個位置我們不知道,而是電子確實不在任何一個確定的位置.
一旦進行觀測,一旦在一個區域a觀測到電子,電子的波函式立即坍縮,它在位置a出現的概率從原來的萬分之一或者億萬分之一突然變成了1,在其他任何位置出現的概率立即變為0.並不是電子確實在那裡而被觀測到,而是因為觀測造成電子波函式的坍陷.認為這兩者沒有區別是錯誤的,這有十分明顯的區別.
"量子態坍縮假設"對量子理論十分重要,沒有這個假設,現有的量子理論就無法成立.
量子理論與牛頓力學、相對論等經典的理論不同,經典理論能夠從幾個簡單的明顯成立的假設出發解釋大量的現象、**大量的結果,那是人類理性的驚人成就.量子理論在解釋現象和**結果的精度和廣度上超越現有的一切理論,但是,量子理論卻是建立在一系列看似荒謬的假設之上.沒有人自願接受這些假設,我們之所以接受,是因為不得不如此.
沒有發現任何更加簡單優美的假設能夠取代這些假設.量子理論既不簡單,也不優美,像一個綴滿各種補丁的破舊棉袍,但是它比其他任何衣服更實用.
愛因斯坦認為量子理論是不完備的,在這些稀奇古怪的假設背後,肯定隱藏著某種更基本的東西.
以下將要證明,這些假設會引發一系列的悖論.量子理論已經陷於不可自拔的哲學困境.不可能通過修改哲學或者邏輯學的方法擺脫這一困境——量子理論的一些基本假設必須修改.
並且確實存在更加簡潔的假設,既能像那些假設一樣匯出量子力學,又能避免其哲學困境.
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