你知道,量子力学可以有三种写法么?

发布时间:2020-08-21 编辑:西极电力网

  每个物理学家都会同意上个世纪最大的范式转变之一是从经典物理到量子物理的转变。量子力学改变了科学的面貌,它能解释一切。解释电?可以。解释鸟是怎么朝一个方向飞的?可以。解释万有引力?不行。但是,今天我们谈论的内容与此无关,我们将讨论关于如何理解量子力学的激烈争论。

  背景

索尔维会议(这张照片包含很多量子力学的先驱人物) | Wikipedia

索尔维会议(这张照片包含很多量子力学的先驱人物) | Wikipedia

  量子力学始于马克斯·普朗克发现光实际上是由具有固定能量的粒子组成的。尽管后来他否定了自己的这个想法,但几年后,阿尔伯特·爱因斯坦利用普朗克的理论解决了另一个当时普遍存在的问题(光电效应)。

  在接下来的十年里,尼尔斯·玻尔,埃尔温·薛定谔,维尔纳·海森堡,马克思·玻恩,保罗·狄拉克等共同建立了量子力学。

  简单来说,量子力学告诉我们,不能再用位置这样的物理量来描述电子、质子这些粒子。例如,电子没有固定的位置。取而代之,我们用它们可能处于的位置来描述它们,那它到底在哪里呢?哪一个可能存在的位置是它真实的位置?量子力学告诉我们电子并没有处于特定的位置上!只有当我们测量它们时,电子才具有特定的位置。

  现在,为了表示电子处于某个位置的概率,我们引入一个叫做波函数的数学工具。电子的每一个可能的位置都被称为一个态,波函数给出了电子处于任何一种状态的概率。波函数的行为类似于波,这也导致了粒子行为在某些实验中表现得像波。你可能听说过粒子也可以是波,但实际上波的行为是由波函数决定的。

氢原子的波函数

氢原子的波函数

  波函数好像解决了很多问题。但是,仍然有一个挥之不去的问题:测量问题。波函数趋向于在给定的时间内逐步扩散开(就像任何正常的波一样)。这意味着电子的可能存在的位置变多了。但是,当我们测量电子的位置时,我们看到它有一个固定的位置。那么在测量位置的过程中,扩散开的波函数发生了什么变化?这就是我们今天要讨论的问题:理解量子力学核心思想的方法。

  哥本哈根解释

  首先,我们来看看对量子力学最古老(也是流传最广)的解释:哥本哈根解释。这是量子力学先驱们自己提供的解决方案,并得到了尼尔斯·玻尔的大力支持。

  哥本哈根解释告诉我们,当我们对波函数进行测量时,除了一个特定状态的概率外,其它所有的概率都变为零,被测量到的状态概率变为1。这确保了电子有一个固定的位置,而不存在于其他任何地方。这种一个特定状态的概率变为1,其他概率都变为0的过程被称为波函数塌缩。

波函数塌缩

波函数塌缩

  现在,我们能预测哪个概率变为1,哪个变为零吗?不能。这是哥本哈根解释的核心。我们无法知道波函数在哪里以及如何塌缩。波函数描述的每一个可能的位置都有机会成为电子所处的特定位置。

  哥本哈根的解释在当时被物理学家广泛接受。它的头号反对者是阿尔伯特·爱因斯坦,他痛恨波函数塌缩只是随机发生的说法。

  事实上,量子纠缠这个量子力学中的预言正是爱因斯坦构造出来攻击哥本哈根解释的。

量子纠缠 | Brilliant

量子纠缠 | Brilliant

  事实上哥本哈根解释存在一些漏洞:其中一个是塌缩必须是瞬间发生的。狭义相对论(上个世纪的另一个范式)向我们表明,任何相关事件都不可能瞬间发生。但是哥本哈根的解释明确地暗示了这一点:如果塌缩不是瞬间的,那么电子存在于别处的可能性很小。

  还有一个问题是,在塌缩过程中信息不守恒。和其他的态相关的信息发生了什么?哥本哈根的解释没有给出答案。

  此外还存在的一个问题是塌缩实际上在哪里发生,可以用被称为“维格纳的朋友”的思想实验的特点来描述。这项实验提出了一个问题,塌缩发生在哪里?也许是当电子被测量的时候?或者当波函数的信息进入我们的大脑时?哥本哈根解释没有给出明确的答案。

  这就是为什么越来越多的物理学家发现哥本哈根的解释相当不准确。正是这些原因导致了更多解释的出现。我们继续其他解释。

  多世界解释

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