量子运动与哥本哈根解释

2019年7月28日12:34:27量子运动与哥本哈根解释已关闭评论
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量子运动与哥本哈根解释 由于量子力学的哥本哈根解释已被人们广泛认可为量子力学的正统解释,它必有其 诸多合理性的一面,因此研究量子运动与哥本哈根解释之间的关系将有助于人们理解和 接受量子运动,同时也……

量子运动哥本哈根解释 由于量子力学的哥本哈根解释已被人们广泛认可为量子力学的正统解释,它必有其 诸多合理性的一面,因此研究量子运动与哥本哈根解释之间的关系将有助于人们理解和 接受量子运动,同时也将使人们对哥本哈根解释有一个更加清晰的认识。

这里我们将对 它们之间的关系进行一些分析。 根据H.Primas的系统总结,哥本哈根解释的概要如下: 量子力学考察单个客体。 几率是基本的。 被测客体与测量仪器之间的边界由观察者选择。 观察方式必须用经典物理来说明。

观察是不可逆的,它产生一个记录。 测量时所发生的量子跃迁是由可能到实际的转变。 互补性质不能被同时观测。 只有测量结果可以被认为是真实的。 纯量子态是客观的但不是真实的。 下面我们逐条分析哥本哈根解释。

对于第一条,量子力学考察单个客体,它清楚地 说明了量子力学是关于个体的理论,而不是关于由大量个体所组成的系综的理论。因此 ,哥本哈根解释排除了系综解释的可能性,这在量子运动看来是正确的,因为我们已证 明,量子力学就是描述单个客体的量子运动的理论。

另一方面,量子运动还提供了量子 力学所描述的单个客体的客观运动图像,这为上述哥本哈根解释的第一条断言提供了证 明,而哥本哈根解释本身无法提供这样清晰的说明。 对于第二条,几率是基本的,它意味着量子力学的最小解释。

即Born几率解释中所 出现的几率并不是由观察者的无知或理论本身的无能所导致的,而必须看作是自然本身 的一种本质特征,同时,我们也因此无法预测比几率更多的东西,并且当理论可以预测 这些几率时它就应当被看作是完备的了。

在哥本哈根解释的框架内理解第二条是极其困 难的,这导致了人们不断求助于因果决定论信念来反驳它,并通过在理论中引入隐变量 来恢复经典的决定论图像,从而将量子力学中几率的出现当作是理论本身的不完备,而 不认为是自然的一种基本性质。

这两种观点的正确性在我们发现真正的微观实在图像之 前是很难判别的,实际上,人们关于这一问题一直争论不休。现在,我们已发现了量子 力学所描述的粒子的真实运动---量子运动,它的存在将令人信服地证明几率是基本的这 一结论。

因为量子运动的规律本质上是非因果、非决定论的,这由量子运动的非连续本 性所决定,而与观察者和理论无关,从而量子运动将为哥本哈根解释的第二条断言提供 更本原的物理解释。 对于第三条,被测客体与测量仪器之间的边界由观察者选择,它显然是不能令人满 意的。

因为它没有给我们一个严格的量化说明以确定这一边界,从而区分被测客体与测 量仪器。尽管Bohr求助于将被测客体与测量仪器作为不可分的整体存在以避免这一困难 ,但他的观点仍是模糊的,因为宏观测量仪器可以被当作是一种独立的存在。

而宏观测 量仪器又由大量的微观粒子所组成,这样将微观粒子不当作是一种独立的存在只能是一 种ad hoc的生硬规定。实际上,在微观粒子与宏观测量仪器之间必然存在一种过渡或边 界,并且我们必须对此给出精确的量化说明,而这一说明在目前的量子理论和它的哥本 哈根解释中是找不到的。

现在,量子运动及其演化规律在理论上严格地提供这一量化说 明,客观地解释了由被测客体与测量仪器相互作用所导致的测量投影过程,并且给出了 微观世界与宏观世界的统一的实在描述,在这一点上它无疑比哥本哈根解释更令人满意 。

对于第四条,观察方式必须用经典物理来说明,它意味着即使我们所考察的微观实 在是多么的奇特,即使经典物理已无法给出一致的说明,我们的观察方式仍必须用经典 物理来说明,我们仍只能使用经典语言来描述实验事实,这一结论已被人们普遍接受。

但是,我们认为哥本哈根解释对于结论中所出现的经典物理或经典语言并未解释清楚, 经典语言到底指的是什么?它是经典力学体系中的概念还是关于实验事实的常识描述, 但是无论它指什么,一切描述和概念本质上都是人类的自由创造,它们的有效性和适用 性必须随时接受检验,不存在先验的一成不变的东西。

因此,我们必须说明利用经典语 言描述观察方式的有效性和完备性,尤其当出现新的(由这种语言无法一致解释的)实验 事实的时候,这种说明就更加必要。

另一方面,即使我们仍沿用现有的经典语言或经典 概念体系,我们也必须在新的经验面前时刻准备着重新理解这些语言和概念的含义,事 实往往是我们对于自己创造的语言和概念起初并未真正理解,而是随着新经验的不断积 累而不断深入和完善。

现在,量子运动的普遍存在让人们更加清晰地看到了经典语言和 概念的局限性,它们对于宏观经验的描述也只是一种近似,一种简单方便的理论抽象, 它们的存在本身无法阻止我们去重新理解已有的概念和语言,并发现更真实、更接近实 在的描述。

对于第五条,观察是不可逆的,它产生一个记录,由于这一结论不仅适用于对微观 系统的观察,同时也适用于对宏观系统的观察,因此可以预计,观察中的不可逆过程实 际上与量子力学的奇异特征并不直接相关。

实际上,对于这一过程的解释完全可以建立 在宏观经典理论的基础上,因此观察中的不可逆过程对于解释量子测量过程的特异性, 例如对于解释测量投影过程的发生并无帮助。现在,量子运动的存在进一步证实了这一 结论。

对于第六条,测量时所发生的量子跃迁是由可能到实际的转变,它断言了测量时量 子投影过程的客观存在,并认为正是这一过程按照Born几率规则产生了确定性的测量结 果。进一步地,哥本哈根解释承认投影过程或量子跃迁用目前量子力学的演化规律无法 说明,而是一种新的物理学过程,但它并未对这一过程的机制和实现进行分析,并认为 这超出了目前理论的范围。

然而,量子隐形传态我们可以看出,正是对这一过程描述的缺乏导致了目 前量子理论在物理上的不完备,并且由于这种缺乏哥本哈根解释本身同样不是一个完备 的解释。现在,量子运动及其规律提供了对量子投影过程或量子跃迁过程的客观描述, 因此它不仅形成了一个完备的量子理论,同时也为这一理论提供了比哥本哈根解释更完 备、更客观的解释。

对于第七条,互补性质不能被同时观测,它无疑是哥本哈根解释的核心,同时也是 最晦涩难懂的部分,它告诉我们单个微观客体的互补性质不能被同时精确测量,例如, 粒子的位置和动量不能被同时精确测量。

尽管这一结论是正确的,但是哥本哈根解释对 它的论证却是不完善的,一方面,它将这一结论看作是测量扰动的一个不可避免的结果 ,但对测量扰动并没有提供一个清晰的说明,它的论证总是一种量子与经典的混和物。 实际上,为了把测量过程说清楚,必须涉及量子态的耦合过程和测量投影过程。

另一方 面,哥本哈根解释过分强调了测量扰动的影响,而忽略了粒子的客观运动状态是导致上 述结论的更深刻的物理原因,即互补性质不能被同时观测这一特征实际上反映了粒子客 观运动状态的某种特异性,因为哥本哈根解释否认粒子客观运动状态的存在,因此它对 上述结论的论证不可能是完备的。

现在,量子运动的存在和规律,以及它所导致的动态投影过程的客观存在,将为上 述结论提供最为明晰而完备的物理说明。这里我们以粒子的位置和动量这一对互补性质 为例来讨论,首先,从客观运动图像上看,对于粒子的任何量子运动状态,粒子位置与 动量的分布扩散之间都满足Heisenberg不确定性关系,即客观上就不存在粒子的位置和 动量同时确定的状态。

具体地说,对于粒子位置越确定的状态,粒子动量的测度密度分 布就越趋于均匀分布,或者说,粒子的动量就越不确定,反之亦然。于是,在物理测量 将真实反映被测状态这一合理前提之下,粒子的位置和动量不能被同时精确测量将是粒 子的量子运动状态所导致的一个直接物理结果。

应当指出,鉴于客观上不再存在粒子的 位置和动量同时确定的状态,粒子的位置和动量不能被同时精确测量这一说法是不严格 的,它隐含了粒子的位置和动量在测量之前可以同时处于确定的状态。

其次,当考虑测 量过程时,根据量子运动的规律,对粒子位置的测量将导致粒子位置态的动态投影过程 ,测量后粒子的量子态将投影为局域的位置态,在这一状态中,粒子动量的测度密度分 布近似为均匀分布,而后继的动量测量将进一步导致粒子的局域位置态投影为确定的动 量态,从而我们无法再测量出被测粒子真实的位置和动量情况,反之亦然。

因此,测量 投影过程也导致粒子真实的位置和动量情况不能被同时精确测量。 下面我们对上述结论的可能推论做一些分析。

明显地,上述结论的一个直接后果是 微观粒子的运动形式不可能是经典连续运动,因为对于经典连续运动粒子的位置和动量 可以被同时精确地测量。然而,哥本哈根解释走得更远,它在此基础上竟断言对于微观 客体不再存在独立的客观运动图像。

这里,我们必须满怀敬意地对这一思想提出批评, 并论证上述结论并不能作为反驳微观实在存在的证据。 我们知道,Bohr反复强调,对微观现象的说明必须利用互补性思想,具体地说,用 不同实验装置得到的关于微观客体的资料详尽无疑地概括了关于微观客体的一切可设想 的知识。

同时,当企图把这些资料结合成单独一种图景时它们却显得是相互矛盾的,于 是任何一幅单独的实在图景都无法提供对微观现象的详尽说明,而只能用互补的经典图 像或概念来提供这种完备的说明。因此,哥本哈根解释断言,对于微观客体不再存在独 立的实在运动图景,我们只能通过互补的经典图像来描述它们。

可以看出,在上述论证 中,哥本哈根解释不得不抛弃微观实在图景的原因是,用不同实验装置得到的关于微观 客体的资料当结合成单独一种图景时将导致相互矛盾,那么,这些资料在结合成单独一 种图景时为何导致相互矛盾呢?

它们又是在结合成一种什么样的图景时导致相互矛盾的 呢?哥本哈根解释的回答是,它们在结合成一种经典粒子的图景或经典波的图景时导致 相互矛盾,因为用一些实验装置得到的资料将显示微观客体的行为类似于经典的粒子, 而用另外一些实验装置得到的资料却显示微观客体的行为类似于经典的波。

于是很明显 ,哥本哈根解释所拒绝的实在图景只是经典的粒子和经典的波,那么它有什么进一步的 理由拒绝所有可能的实在图景呢?没有!如果有,那就是几乎所有人都默认的经典偏见 ,即认为经典的粒子和波图景是唯一可以存在的实在图景,或者说,粒子和波的经典连 续运动是唯一可以存在的客观运动形式。

应当承认,经典粒子和经典波对于描述微观过程的确是有帮助的,但是我们如何证 明它们对于这种描述是必要的呢?我们为什么一定要用这些经典概念来直观地描述微观 过程呢?

经典连续运动的存在直接来自于我们的宏观经验,基于它的经典理论的确取得 了一些巨大的成功,但是它明显不适于描述微观客体的行为,那么我们凭什么认为经典 连续运动是唯一可以存在的客观运动形式呢?我们凭什么断定关于微观客体的实在运动 图景不存在呢?互补性质不能被同时观测又如何?

它恰好可以看作是微观实在本身的一 种不同于宏观实在的独特性质,而丝毫不能成为反驳微观实在存在的证据。因此,互补 性思想并不能禁止我们去发现不同于经典连续运动的微观实在图景,更不能禁止这种微 观实在图景的存在,而观察的限制完全可以看作是这种微观实在的特殊本性。

实际上,量子力学规律的存在已经强烈暗示了存在一种与经典连续运动完全不同的 新的运动形式,甚至是更基本的运动形式,它将为我们提供一幅单独的实在图景,并且 它可以自然地表现出在经典框架内看来是互斥的性质。

量子力学并没有阻止我们去寻找 这种运动形式,阻止我们的只有我们自己,我们的偏见,我们的自傲,还有我们的无知 。现在,量子运动及其规律的发现无疑用事实揭示了互补性思想的局限性,同时它让人 们不得不痛苦地放弃经典连续运动的唯一性偏见,但这种痛苦是短暂的,它所给我们带 来的对实在理解的快乐却是永久的。

对于哥本哈根解释的最后两条,只有测量结果可以被认为是真实的,以及纯量子态 是客观的但不是真实的,它们具有更多的哲学味道,而无法单纯在物理范围内讨论。实 际上,它们很难在物理范围内讨论清楚,因为对于“真实”与“客观”这两个概念的定 义只能是哲学上的,在此我们将不进行这种讨论。

总之,从上面的分析可以看出,由于微观实在图景的缺乏,哥本哈根解释的诸多要 点很难令人信服,并且相互之间也很难建立起有机的、内在的联系,而试图建立这种联 系的互补性思想又被证明是不可靠的。实际上,只有量子运动这一真实的微观实在图景 才能够在哥本哈根解释的诸多正确看法之间建立起内在的、必然的联系,并为量子力学 提供真实而客观的微观实在图景,但哥本哈根解释也因此不再存在,而代之以基于量子 运动的量子力学的客观解释。