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1、量子物理学的实验与哲学基础 量子物理学是德国物理学家麦克斯 普朗克于1900年在柏林提出的 起初是为了解释一些光学现象而提出的 但经过薛定锷 波尔 泡利等物理学者学家的努力 现在 量子物理学已经成为许多现代高科技的基础 例如激光 如果不依靠量子物理学是无法解释清楚的 并且还可以解释某些化学现象 尽管到现在为止 量子物理学已经发展的比较完善 并且以之为基础的新技术 譬如量子计算 量子通讯已崭露头角 但它的发展并不平坦 并且从一开始就有着激烈的争论 那就是波尔和爱因斯坦的对话 爱因斯坦试图保持关于世界的经典的观点 但波尔认为这是不可能的 在这个争论中 一个被称为Gedanken的实验问题占有显著的
2、地位 Gedanken的意思是思想 也就是说只是在头脑中进行的实验 这受限与当时的实验条件 但在激光出现之后 这个实验才成为现实 即所谓的双栅实验 双栅实验 在高中的课程中就有上面的双栅实验 其实验结果也比较容易理解 光是一种光波 在满足相干的条件下通过双缝后出现干涉现象 即在屏上出现明暗相间的条纹 1 暗条纹的地方是光通过双缝后相互抵消的区域2 明条纹的地方是光通过双缝后相互加强的区域这个实验是没有任何问题的 但是当用单个的粒子 也就是光的单个量子进行这个实验时就会产生哲学上的问题 例如 粒子会从两条缝中的哪一条通过 当粒子通过某一条缝时你怎么知道另一条缝此时是开着的还是关着的 事情往往如此
3、 通过实验 又产生了一些新的在过去的讨论中所没有想到的新实验的可能性 并以此为基础产生了新的观念 这是个普遍现象 量子力学就是研究这种随机事件的 但是它所研究的随机性又不同于经典物理或日常生活中的随机性 具有新的性质 1 量子力学研究的随机事件不但是没有原因的 而且连隐藏在背后的原因也没有2 偶然事件也没有任何原因也正是这些原因 让包括爱因斯坦在内的一些物理学家不舒服 在物理界引起很多分歧 让我们再回到双缝干涉实验 前面说从左面发射光线 通过双缝后 形成了干涉条纹 我们知道光是由粒子产生的 那么就又有了下面的问题 一个单独粒子穿过缝隙 会有什么样的情况出现 爱因斯坦试图证明可以知道粒子是从那条
4、缝中通过的 而且如果收集许多粒子 就会形成要找的图形 但是波尔已经证明他错了 而现在的观点是 信息对于解释量子物理学起着至关重要的作用 一方面 如果对于粒子的路径选择有任何信息 那么就不会有干涉 人们能否知道这个信息不重要 关键是到底有没有这种信息的存在 另一方面 如果没有任何信息 无论你花多少努力也得不到这种信息 那么就只能看到干涉 这个理论很有意思 因为干涉条纹就包含着信息 所以可做如下选择 1 知道粒子选择哪条途径2 在干涉图形中获得信息 在量子理论中 另一个很重要的概念是纠缠态 量子纠缠态是量子力学的本质和最主要的特征 下面解释一下纠缠态 现在有两个系统 用两个骰子表示 当去测量时 每
5、个骰子都会给出一个完全随机的结果 然而 一旦一个骰子被测定出来 对另一个骰子的测量结果就被确定了 也就是说只要一个粒子被测定了 另一个粒子的量子态就立即被确定了 不论两者相距多远 像这样 多个量子位相互作用 就形成了纠缠态 纠缠态现在已被应用到实际中 例如 量子计算机 我们再回到哲学的问题上 首先 量子力学是非常正确的 问题是这意味着什么 信息是量子力学的中心概念 所以 量子力学不是关于现实的 而是关于信息的 关于知识的 波尔说 无论量子现象超出经典的物理学解释有多远 但是对任何事情的描述 都必须用经典的术语来表达 经典的术语是指逻辑的陈述 即一个判断是正确的 还是错误的 因为没有什么量子世界
6、 只有一个抽象的量子物理学描述 其次 认为物理学的任务是去发现自然究竟是怎么样的想法是错误的 物理学所做的只是关于自然的如何描述 人们不可能判断自然是什么 只能讨论如何描述自然 这也是哲学家们很久以前就告诉过我们的 就是说人们根本不可能判断自然到底是什么 我们只能讨论如何来描述自然 现在对于一个简单的问题有一种很简单的回答 这个问题是物理学家和生物学家韦勒提出的 问题是 世界为什么是量子化的 最简单的理由是什么 假定信息是最基本的概念 以此出发 那么当我们描述某种情况时 就必须做判断 就必须使用逻辑的前提 这个前提必须是一 二 三个等等 不能一点五个前提 在计算机化的情况下 也只能使用一 二
7、三等整数个比特 由以上的观点看出 信息在作出判断时是量子化的 所以世界就表现为量子化的 如果用这种观点判断薛定锷的猫的问题 那么这个问题就不存在了 薛定谔设想了一个理想实验 将一只猫关在箱子里 箱内还置有一小块铀 一个盛有毒气的玻璃瓶 和一套由检测器控制的榔头所构成的执行机构 铀是不稳定的元素 衰变时放出射线触发检测器 驱动榔头击碎玻璃瓶 释放出毒气将猫毒死 铀未衰变前 毒气未放出 猫是活的 铀原子在何时衰变是不确定的 所以是处于叠加态 薛定谔挖苦说 按照量子力学的解释 箱中之猫处于 死 活叠加态 既死了又活着 量子力学告诉我们 经过一段时间以后 这个原子就会处于一种衰变和不衰变的叠加状态 因
8、此 如果量子力学如人们所认为的那样是普遍适用的 那么这个猫也就处于死与活的叠加状态 这个问题经常被人们错误地表达为 量子力学预言 这只猫是处于一种既死又活的状态 以我们的观点来看 我们所能说的只不过是我们所具有的信息是这样的 因为并没有客观的方式来说明猫是死是活 所以不能说 我们对现实无法下判断 只能对我们的知识下判断 我们的知识说 两种结果都有同样的可能性 我们对此无法区别 所以只能用叠加态来描述这种情况 我们无法独立于实验而对真实发生的情况下判断 我们总是在谈论未来 未来的发展 但未来总是很难预测 基本上无法说未来将会怎么样 尽管爱尼阿克 爱尼阿克是最早的计算机之一 尽管爱尼阿克的计算器装有一万八千个真空管 并且重达三十吨 但未来的电脑可能只有一千个真空管 而且只有一吨半重 这个对未来的伟大预言怎么样 谢谢欣赏 本课件不参加演讲 谢谢
