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1、量子现象解释性理论初步,主讲人 大理学院 物理与电子信息学院 罗凌霄 副教授,相对论和量子论的冲突,相对论和量子论是20世纪物理学的两大支柱，然而相对论的决定论观点和局域性与量子论的非决定论观点和非局域性是不相容的，由此引发了爱因斯坦和玻尔两人之间一场从1927年10月召开的第五届索尔维会议起持续近三十年的著名论战。1965年，北爱尔兰物理学家贝尔以实在性和局域性为前提，推出了著名的贝尔不等式，开辟了对量子论基础作直接检验的途径。,两个著名实验,1982年，法国物理学家阿斯派克特的实验表明贝尔不等式不符合实际情况，故此，实在性和局域性二者不可能同时为真，我们至少得放弃其中之一。 2000年，旅
2、美中国物理学家王力军在铯原子气室激光实验中发现光脉冲不经历任何中间过程而越过了18米的路程。 这个实验说明我们必须放弃局域性观点，至于实在性观点，还看不出有放弃的必要。,相对论陷入了窘境,至此，一向被认为是经受住了实践的长期考验的狭义相对论突然之间陷入了窘境，其处境恰如19世纪末的经典力学一样。 狭义相对论必须被重新认识，已成为被越来越多的人认同的观点。一些人认为应该退回到爱因斯坦前的洛伦兹和彭加勒的立场上，另一些人则在积极寻找新的出路。,量子论的处境也不好,量子论的处境比相对论要好一些，它甚至在苛刻的条件下都给出了和实验高度一致的结果，但一直就存在着如何解释理论本身的问题。诸如波粒二象性的理
3、解、动量-位置不确定关系以及能量-时间不确定关系的理解、互补原理的理解、波函数统计解释的理解、非局域性和非决定论的理解等等。,量子力学是一套计算性的理论,量子力学是有关量子现象的一套成功的理论,借助于薛定谔方程,我们能够算出束缚态粒子的能级和粒子在各处出现的几率。量子力学中,不存在轨道概念,我们只能谈论粒子在各处出现的几率,并且,定态系统的能量有一个不确定度。对于这些与经典物理严重冲突的思想,量子力学没有给出解释,所以,量子力学只是一套计算性的理论。,哥本哈根解释,以玻尔为首的哥本哈根学派放弃了实在性的观点，认为是观察让现象呈现出来；没有观察时，就没有现象；电子是一种现象，而非一种实体；所以，
4、我们只能谈论这个现象在各处呈现的几率，而不能谈论在两次观测到电子之间电子经历了什么过程，或者问电子从一处到另一处经过了那条路径。,多宇宙解释,但在量子宇宙学中就出现了究竟谁是观察者的问题。为了避开这个问题，出现了十分简单然而又十分怪异的多宇宙解释。由于这种解释有神秘主义倾向，所以并不为大多数物理学家接受。,系综解释和隐变量理论,系综解释似乎是一个易于接受的说法，薛定谔猫佯谬在它面前冰消雪融，但它有悖于海森伯不确定性原理的基本精神，并且当用于分析量子宇宙学时，由于宇宙只有一个，不再是一个系综，它变得无法工作一些学者致力于建立隐变量理论，企图使决定论回归到物理之中，但是几十年的时间过去了，这样的理
5、论也没有被真正建立起来.,两位著名物理学家对量子力学的评论,费因曼说：“我想我可以放心地说，没有谁理解量子力学”。 盖尔曼说：“现代物理学的一切都是由50多年前发明的、叫做量子力学的壮丽无比而又彻底混乱的学术所支配的。它业已经受住了各式各样的检验。我们设想它是完全正确的。没有人理解它，但我们知道怎么样去运用它和怎么样去应用它，因而我们已经学会同没有人能够理解它的这一事实共处下去。”,贝尔对量子力学的看法,贝尔说：量子力学没有真正地说明事物，实际上，量子力学的奠基人在放弃说明的想法上是相当自傲的。他们以仅处理现象而自豪；他们拒绝考察现象背后，把这视为人们为了与自然达成协议所不得不付出的代价。历史
6、的事实是：对微观物理级上的实在世界持不可知态度的人们是非常成功的。当时那样做是一件好事，但我不相信将来还会如此。,贝尔的一段预言,贝尔在谈到相对论和量子论的冲突时说：“我认为,对于我们问题的解答很可能从后门进来；某个他本人不谈论我们所关心的这些困难的人,可能会看到曙光。我喜欢的一个类比是,门开着的时候却对着窗户嗡嗡叫的苍蝇。我们这些对于这些问题多少有点固执的人,很可能不是那些看清通道的人。”,长期的实践已经表明，相对论的重新认识和量子论的合理解释是纠缠在一起的，被视为正统学说的玻尔的哥本哈根解释放弃实在性的做法无益于问题的解决,我的研究目标,能否建立一种非局域性的、非决定论的、然而又不同于量子
7、力学现有形式的新理论，它能够揭示量子现象背后的微观过程，给出与量子力学和狭义相对论的主要结论相同的结果，并且解释不存在粒子运动轨道的道理，以及定态系统的能量有个不确定度的道理，是我多年来努力的目标，贝尔的那段话一直激励着我从事量子论和相对论的统一性理论的研究。,2000年12月的新观点,受古印度缘起论哲学思想和古希腊学者芝诺关于运动的著名悖论的启发，经过长期的探索之后，2000年在华东师大做访问学者期间，我终于破除了坚固的自在之物在虚空中连续移动这种源于古希腊哲学的顽固的物理实在观，树立起了如下的哲学思想：,（1）在无限短的时间内，物体走过无限短的路程这种机械运动观是错误的. 实际上，机械运动
8、是不可能发生的，我们所观察到的连续移动其实是一种错觉； （2）现象背后没有常驻不变的实体，一切现象都是刹那生灭的； （3）一个现象的产生必以另一个先于它的现象作为诱因，结果产生之时，也就是原因消亡之时； （4）相同的原因可以诱发不同的结果，结果对原因的依赖关系可以用几率场函数描述,刹那生灭思想与物理学结合的产物,以上述思想为指导，我建立了粒子的元态群模型和元态群组模型，创立了“自再现”观点和“无间位移”观点, 建立了猝移速度和脉动速度概念，揭示了粒子的能量、德布罗意波的频率以及波长的实在涵义,阐明了不存在粒子运动径迹的道理,阐明了定态系统的能量有一个不确定度的道理，建立了粒子的驻生脉动分布图，
9、找到了非相对论情形下束缚态粒子的平均动能和平均脉动周期的关系式.,该理论揭示了量子现象背后的微观过程及其机理，它是关于物质最基本的运动规律的理论研究.它为一大类束缚态粒子的运动提供了清晰的物理图像,借助于这种图像，用简单的数学工具就能推出这些束缚态粒子的能级公式.这项研究为在大学低年级甚至高中定量讲授量子力学的部分内容提供了可能.另外,以我揭示的刚体的二分态微观转动机理为基础，还有望解开“粒子的自旋机理”这个80年多年来物理学中的未解之谜.,生灭论的物理实在观,我把这种理论叫做生灭论(或者量子现象解释性理论).生灭论认为，物质的基本结构单元是一种叫做元态的东西所谓元态，就是激活的一个点状态元态
10、只能在一定的位置生起和熄灭，而不能移动元态的生起是即刻完成的，所以叫做骤生.元态的熄灭也是即刻完成的，所以叫做猝灭.元态一旦生起,就为在周围空间激活下一个元态提供了可能，在下一个元态骤生的同一时刻，前一个元态也就猝灭了.,元态群的自再现和驻生时间,某些特定数目的元态能够结为星星点点的、具有自我复现功能的集群.集群里所有的元态同步地骤生，又同步地猝灭，这种集群叫做元态群.在元态群的激励下，新的同样结构的元态群在新的位置处复现出来，而原有的元态群同时猝灭，这种现象叫做元态群的自再现.元态群在一定位置处只能生存极为短暂的时间，这段时间叫做元态群的驻生时间.,无间位移,元态群中所有元态位矢的总和与元态
11、总数的比值叫做元态群的位矢.把元态群位矢的起点放到参考点时,位矢的末端所在的位置叫做元态群的驻生点.从猝灭的元态群的驻生点到以它为因复现的元态群的驻生点的位矢叫做元态群的无间位移.所谓无间,是指没有任何中间过程.所以,对元态群来说,不存在运动径迹的概念.,猝移速度,由于元态群驻生点位置的改变是即刻完成的,所以驻生点从一个位置到下一个位置的变化叫做元态群的猝移.元态群的无间位移与驻生时间的比值叫做元态群的猝移速度. 生灭论认为,元态群就是通常所说的轻子.,协同元态群组,几个特定的元态群也可以组成一个协同元态群组，其中同一个元态群里的各个元态的骤生以及猝灭是同步的，但不同元态群里的元态的骤生以及猝
12、灭是不同步的一个包含 个元态群的协同元态群组，其中第一个元态群发生猝灭后,或者等效地说它发生猝移后,接着是第二个元态群、第三个元态群、 、第 个元态群跟着发生猝移.,所有元态群都发生一次猝移之后,各个元态群又依次发生新一轮的猝移.所以协同元态群组中各个元态群的平均驻生时间是相等的.协同元态群组中所有元态位矢的总和与元态总数的比值叫做协同元态群组的位矢.把协同元态群组位矢的起点放到参考点时,位矢的末端所在的位置叫做协同元态群组的驻生点.,驻生点位置不变的时间叫做协同元态群组的驻生时间. 协同元态群组中每当有一个元态群发生猝移时，协同元态群组的驻生点就发生一次猝移.从前一个驻生点到下一个驻生点的位
13、矢叫做协同元态群组的无间位移. 协同元态群组的无间位移比其中任一个元态群的无间位移要小.协同元态群组的驻生时间也比其中任一个元态群的驻生时间短暂.,容易证明，一个包含 个元态群的协同元态群组,其平均驻生时间等于其中任一元态群的平均驻生时间的 分之一.协同元态群组的无间位移与驻生时间的比值叫做协同元态群组的猝移速度.生灭论认为,协同元态群组就是通常所说的重子和光子.,物质系统就是由独立元态群和协同元态群组构成的.系统中所有元态位矢的总和与元态总数的比值叫做系统的位矢.把系统位矢的起点放到参考点时,位矢的末端所在的位置叫做系统的驻生点. 驻生点位置不变的时间叫做驻生时间. 系统中每当有元态群发生猝
14、移时，系统的驻生点就发生一次猝移.从前一个驻生点到下一个驻生点的位矢叫做系统的无间位移.,脉动速度,系统的无间位移与驻生时间的比值叫做系统的猝移速度.在系统中驻生时间最长的元态群的平均驻生时间的数百亿倍这样的时间尺度内，系统的猝移速度的统计平均值叫做系统的脉动速度.若以 表示系统的平均驻生时间, 表示其中第 个元态群（包括协同元态群组中的元态群）的平均驻生时间，则,闪率,其中 等于单位时间内系统中的元态群发生猝灭(或者骤生)的平均总次数,当没有发生核转变以及能级的跃迁时,它也就是单位时间内系统中的元态群发生自再现的平均总次数,叫做系统的闪率. 系统只包含一个元态群或者一个协同元态群组时,脉动速
15、度以及闪率这些概念仍然适用.,能量和驻生时间的关系,生灭论认为,系统的平均能量 与系统的闪率成正比.所以 和的 关系可以表示为 其中的 是常量,是一个大数,其含义将在后面阐述.,能量的实在含义和能量不确定度,生灭论揭示了能量的实在含义：系统的能量与单位时间内系统中的元态群发生骤现（或者猝灭）的总次数成正比。对处于定态的系统,其中的元态群在单位时间内发生骤现（或者猝灭）的总次数有一定幅度的涨落,所以定态系统的能量有一个不确定范围.,脉动周期、密极点、疏极点,生灭论认为,束缚在一维无限深势阱中的匀速运动的粒子,其脉动速度是不均匀的,脉动速度的大小随时间作周期性的变化,周期 叫做脉动周期.脉动速度小
16、的地方,粒子的驻生点密集；脉动速度大的地方,粒子的驻生点稀疏.单位长度内的驻生点数叫做驻生点数密度. 驻生点数密度随位置连续改变. 驻生点数密度取极大值的点叫做密极点, 驻生点数密度取极小值的点叫做疏极点.,疏节和密节,两个相邻疏极点之间的部分叫做密节, 两个相邻密极点之间的部分叫做疏节,疏极点和相邻密极点之间的部分叫做疏密半节.粒子通过任一密节所用的时间(或通过任一疏节所用的时间)是相等的,都等于脉动周期 .粒子通过任一疏密半节所用时间都等于 .为了有别于脉动周期，束缚态粒子的一个运动周期叫做全周期.,德布罗意波长,在全周期内，在某点附近单位长度内粒子的驻生点数在全周期内的驻生点数中所占的比率就是粒子在该处出现的几率密度.密节的长度叫做密节长,疏节的长度叫做疏节长,它们统称为节长.疏节长和密节长就等于德布罗意波长的一半,即 .,经典速率,粒子中元态群的最长平均驻生时间的数百亿倍这样一个时段比起粒子通过一个节长所用的时间短得微乎其微.脉动速度在一个疏节(或密节)上的统计平均值的大小等于疏节长(或密节长)与脉动周期 的比值,它就是经典
