《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第23节

作者: 浅论物理
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  量子力学的创立者之一薛定谔,与量子力学的正统学派哥本哈根学派有着意见上的分歧。他曾提出了一个被后人称作“猫佯谬”的著名理想实验,将量子力学的测量问题非常鲜明地揭示了出来。他的理想实验是这样的:将一只可怜的小猫关在了一个生死未卜的金属盒内,盒中的盖革计算器里放有一小块放射性物质,在一个小时内只可能有一个原子发生衰变、或者没有原子衰变,两者的几率相同各为50%。而该装置非常残忍,只要衰变发生,计数管立即放电接通继电器而释放一个重锤,重锤肯定会击碎盛有氢氰酸的小瓶,小猫就会被毒死。问题在于整个系统放置一个小时后打开,这时猫是活着蹦出来呢?还是已经一命乌呼了?量子力学回答说:如果此期间没有原子衰变,这只猫就是活的,但只要第一次原子衰变发生了,它必定被毒死。这个结论令人困惑在哪里呢?因为根据人们的宏观经验,盒中的猫要么是活着的、要么已经死了,两者必居其一。但是根据量子力学的规则,盒内整个系统正处于两种状态的叠加态中:在一种态中猫是死的,而同时在另一种态中猫却是活的。也就是说盒中的猫正处于一种按常规不好理解的活与死的叠加态中:或死或活、既死又活当中。就此量子力学竟然与我们的宏观经验相矛盾了。薛定谔以佯谬的形式很清晰地将这一矛盾揭示了出来。从而人们通过这一事例,可以更便于了解量子力学中的“不确定性原理”其中更为深刻的含义。实际上他也是很明显地捣住了量子力学的脊梁骨,涉及到了最令人头痛的量子力学的测量问题,这又恰恰是量子力学的核心理论基础。

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日期:2009-11-21 08:22:16

  另外,量子力学本身并没有能力解决测量问题,也没有描述出具体的测量过程,而仅仅将测量过程简单地当作是一种瞬间非连续的波函数投影过程。量子力学也没有办法解释宏观世界的存在问题,因而目前还不能算是一个完备的理论。
  爱因斯坦对“不确定性原理”始终是加以否定的,他认为量子力学没有理论依据,只是一种不完整的偶然性假说,就好像上帝同世人掷骰子似的。关于这,爱因斯坦有一句流传已久的名言:“上帝是不会掷骰子的”。为此他停止了对量子力学的研究,将全部精力转向了对相对论的研究中去了。并且有人就此评价说:从此以后爱因斯坦在量子力学方面,逐步倒退和失误、走向了自己的反面。很可惜的是这个量子力学最早的创始人,以后再也没有获取量子力学的研究成果;同样遗憾的是量子力学却也就此而失去了一位杰出的领路人。

  爱因斯坦与量子力学的为首代表人物玻尔,从此进行了长时期的争论。闻名的爱因斯坦光盒试验便是其中一个典型的事例。当时,爱因斯坦在经过三年的深思熟虑后,信心百倍地向玻尔提出了又一次挑战。试验是如此进行的,爱因斯坦在黑板上画了一个可由时钟来控制快门的小盒子,盒中盛有放射性物质。通过控制快门可以定时定量只允许一个粒子放射出去以后就将快门关闭。测量放出粒子前后小盒的重量,便可知放出的该粒子的质量。从爱因斯坦的质能关系式中,我们不难知道它的能量E=MC^2;因此这个结论违反了量子力学核心理论“测不准原理”。该实验根本就没有涉及观察仪器的问题,也不存在外来粒子会改变粒子的运动的因素,看起来是十分自洽的,所以就此导致了“测不准原理”破灭了,而因果律及准确性的恢复给爱因斯坦带来洋洋自得的喜悦,再也不用愁眉苦脸地等着上帝掷骰子了。

  这一场新的论战戏剧性地拉开了序幕。以玻尔为首的哥本哈根学派,在当时是物理学界量子力学中最正统的、实力最强的学派;一代宗师们立即陷入了困境,他们一时找不到如何来回击爱因斯坦。在回去的路上,在神气自得的爱因斯坦身边,玻尔低着头举步艰难地喃喃自语地说:“怎么会是这样呢?如果爱因斯坦是对的,那物理学可就完了。”哥本哈根学派的精英们彻夜难眠,仔细认真地推敲着实验过程中的每一个环节,寻找给量子力学带来灾难性错误的细节。终于找出了爱因斯坦的漏洞,从而制定了反驳办法。再次会战时,玻尔也在黑板上画了一个同样的小盒。唯一有一点不同之处是他把小盒用弹簧称挂了起来,那么粒子跑出小盒前后的重量变化,在吊小盒的弹簧称的指针上可以一目了然。玻尔请大家回忆爱因斯坦广义相对论中的等效原理,指出钟在重力场中发生位移时,它的快慢会立即随之发生变化。当粒子跑出盒子而导致盒子重量变化时,盒子也必将在重力场中位移一段距离,这样实质上读出的时间已经经过改变而读不准了;由此而导出了测不准关系。玻尔正是利用了爱因斯坦自己的理论相对论中的红位移公式,导出了“测不准原理”。爱因斯坦在被自己的理论轰击下。不得不承认玻尔的推论是无懈可击的。

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日期:2009-11-22 10:08:03

  玻尔趾高气扬地走出会场。在恢复了神气的玻尔身旁,蹒跚地行走着垂头丧气的爱因斯坦。直至玻尔去世时,手中拿的一张画便是爱因斯坦光盒,可见当年这场争论深远非凡意义之重大。可惜爱因斯坦由于一些观念难以转变,最终离开了量子力学的研究,他自己在孤独中开始摸索,失去了在这个领域中取得更新成就的机会。
  20世纪物理学是以一种全新的量子力学面貌来迎接新世纪的到来的。其中爱因斯坦独自创立的广义相对论,是关于空间与时间在宏观宇宙大尺度范围内的研究,他赋予时空新的物质概念,指出在宏观宇宙中它们是如何被物质和能量向自身卷曲的问题,向人们揭示出了一种新的时空理念。时空可以互相转变以及引力的几何性质的解释都是他的超常人智慧的发挥。他的后半生注重于有关力的统一的研究,想建立起引力与电磁力的统一理论,但未能获取成功。

  “测不准原理”同时也被称作“不确定性原理”,是量子力学最重要的理论基础。它也可以看成是量子力学的精魂所在。量子理论所研究的领域是微观物理世界。进一步说明微粒特征的有关量子的“波粒二象性”也是量子理论的重要内容。量子力学一直寻求能更加深刻、全面、彻底的能从根本上层层破析、揭示出物理界中最本质的东西。

  不过,爱因斯坦对量子力学的“不确定性原理”的指责也不能说是全然无道理的。在经典力学中,物理学对其研究的对象及其运动规律均有着鲜明正确的描述及准确的结论。而在量子力学中却只能拿出概率性的统计性结论,甚至对其研究对象——量子,本身是波还是粒子也作不出一个明确的推断;而具有“波粒二象性”的含糊其辞解释真令人疑疑惑惑。总之没有一个明确的定义,又拿不出来一个确切正确的结论,不能不说是量子力学的一大遗憾。爱因斯坦说他决不抛弃可见的因果关系而去接受可能性;其实也是正确地指出了量子力学还并非是一个完善的理论。

  如果说由于人们的认识能力有限,确实对微观粒子世界缺乏了解,对微粒子的测量问题无法着手进行;而出现“测不准”的情况,不得不以“不确定性原理”作为一种过渡手段来做权宜之计。这在任何新生事物最初出现的时候遇到这种类似情况也是可以理解的。但这就得承认量子力学在此种情况下本身并非是一个完整的理论。要是它只能永远处在不得不一直等待“上帝掷骰子”的状况下,这样的理论是否能源源流长就需要打一个问号了。

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日期:2009-11-23 09:17:29

  经历两千多年人类经验汇聚而成的经典力学,之所以常盛不衰;这和它的全部理论、定义、定理、公式均有着鲜明、正确的结论是分不开的。20世纪初,物理界惊呼经典力学大厦倒塌了,但是至今量子力学并没有能全面取而代之它。这便和量子力学已问世近百年,但却并没有什么能证伪经典力学错误所在的事例出现。至多是发现牛顿力学知识所涉及的知识面还不够广,尤其是它对后来遇到的大尺度宏观宇宙空间领域以及微观世界微粒子领域未曾涉及。那么要是仅仅如此的话,量子力学作为对其的一种补充亦未尝不可,而难以起到替代的作用。

  1920年卢瑟福预言了中子的存在。以及后来德威克认定中子。在整个中子的发现过程中,运用的就是经典力学中的能量守恒定律及动量守恒定律。这也说明着这两个定律的普遍适用性。
  在原子核的整个研究过程中,所有原子核及有关物质全都遵守着电荷守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律以及质量守恒定律。这不都说明了经典力学理论经受住了微粒子的考验并且经微观世界的检验说明它们依然是正确的。并且也正是这些理论正确地指导了核反应研究的进行;它们恰恰是进行这项研究的主要理论依据。
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