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1、奇妙的量子世界 一些可能使你感到困惑的量子现象 河北师范大学物理学院 普通物理讲座之量子物理李李 冀冀2007-04-132007-04-13Outline 什么是量子理论？ 量子佯谬-薛定谔的猫、 EPR悖论 宏观量子效应 量子力学与现代科学技术 量子力学与科幻小说一、什么是量子理论？ “量子”一词意指“一个量”或“一个离散的量”。 量子理论又称为量子力学或量子物理学，是一 组在极小尺度上主要应用于原子或更小实体的 物理定律。 量子理论的核心是测不准原理和波粒二象性概 念的结合。 量子物理实际上包含两个方面。一个是原子层 次的物质理论：量 子力学；正是它我们才能 理解和操纵物质世界。另一个是
2、量子场论， 它在科学中起到一个完全不同的作用。量子力学建立 A 旧量子论的形成（冲破经典量子假说 ） 1900 Planck 振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化 B、量子力学的建立（崭新概念） 1923 de Broglie 电子具有波动性 1926 - 27 Davisson, G.P.Thomson 电子衍射实验 1925 Heisenberg 矩阵力学 1926 Schroedinger 波动方程 1928 Dirac 相对论波动方程量子力学发展之路普朗克量子假说（1900年）谐振子的能量只能是普朗克是PHYSIK 杂志
3、的主编， 他对爱因斯坦的工作 给予了高度的评价。在普朗克获博士学位五十 周年纪念会上普朗克向爱 因斯坦颁发普朗克奖章尼尔斯玻尔(Bohr,Niels)1885年10 月7日生于丹麦首都哥本哈根，19221922年玻尔获诺贝尔物理学奖年玻尔获诺贝尔物理学奖19201920年在玻尔筹划下创立的年在玻尔筹划下创立的 哥本哈根大学理论物理研究所，哥本哈根大学理论物理研究所， 在创立量子力学的过程中，在创立量子力学的过程中， 成为世界原子物理研究中心成为世界原子物理研究中心19621962年年1111月月1818日，日， 玻尔因心脏病突发而逝世玻尔因心脏病突发而逝世玻尔正在讲课玻尔（左）和海森伯（中）泡
4、利（右）在一起玻尔其人， 成绩优秀、全面发展、爱踢足球；学术平等、爱国反战。在玻尔研究所里 学术空气很浓， 玻尔演讲后与听 众踊跃讨论。哥本哈根学派“丹麦是我出生的地方，是我的故乡，是我心中的世界开始的地方。”波尔著名诗句：波尔和他的五个儿子 右2在1975年 获诺贝尔物理奖（因对原子核结构的研究）德布罗意 (Louis Victor due de Broglie, 1892-1960) 法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获 得者，波动力学的创始人，量子力学的奠 基人之一。 19231923年，提出实物粒子年，提出实物粒子 也同样具有波动性。也同样具有波动性。奥地利物理学家 薛定谔（Sch
5、rodinger 1887-1961）19261926年提出量子力学中最年提出量子力学中最 基本的薛定谔方程基本的薛定谔方程19331933年获年获诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。汇聚了物理学界智慧之脑的“明星照” 1927年第五届索尔威会议爱 因 斯 坦洛 仑 兹居 里 夫 人普 朗 克德 拜泡 利康 普 顿薛 定 谔狄 拉 克埃 伦 费 斯 特布 喇 格玻 尔海 森 伯玻 恩朗 之 万德 布 罗 意具有具有划时代划时代意义的量子论意义的量子论-产生了半导体技术产生了半导体技术 -改变了人类的生活水平改变了人类的生活水平 -扩展了我们这些专业-引起了科学界的一场革命引起了科学界的一场革命如果有一
6、天量子力学突然不起作用 了，将会发生什么现象？ 不可想象！自然界的一切物体都将解体为 一个个原子，而电子说不定一齐落在原子 核上。 当然量子力学是不会突然不起作用的，它 是微观世界的根本规律。 尽管量子力学是为描述远离我们的日常生活经验 的抽象原子世界 而创立的，但它对我们日常生活 的影响无比巨大。 没有量子力学作为 工具，就不可能有化学、生物 、医学以及其他每一个关键学科的引人 入胜的进 展。 没有量子力学就没有全球经济可言，因为作为量 子力学 的产物的电子学革命将我们带入了计算机 时代。 同时，光子学的革命 也将我们带入信息时代。量 子物理的杰作改变了我们的世界，科学革 命为这 个世界带来
7、了的福音，也带来了潜在的威胁。 量子论是一个极为奇妙的理论 从物理角度来说，它在科学家中间引起了 最为激烈的争议和关注； 从现实角度来说，它给我们的社会带来了 无与伦比的变化和进步； 从科学史角度来说，也几乎没有哪段历史 比量子论的创立得到了更为彻底的研究。 然而不可思议的是，它的基本观点和假说 至今没有渗透到大众的意识中去，这无疑 又给它增添了一道神秘的光环。波或粒子？ （n=1,2,）？驻波：r朗之万把德布洛意的文章寄给爱因斯坦， 爱因斯坦说： “揭开了自然界巨大帷幕的一角” “瞧瞧吧，看来疯狂，可真是站得住脚呢”氢原子波函数曲线和轮廓图波动性与粒子性的共存，很快就导 致了关于自然界的一些
8、令人吃惊的 结论。 几乎没有什么比著名的几乎没有什么比著名的托马斯托马斯杨杨 （Tomas YoungTomas Young）双缝实验双缝实验更能显示更能显示 量子的模糊性了量子的模糊性了理查德费恩曼(191888)曾经说： 双孔实验包藏了量子力学的核心秘密，无 人懂得其中究竟发生了什么。它不仅仅表 示量子实体运动时像波，到达和出发时像 粒子，而且它们似乎还知道过去和未来。二、量子佯谬 薛定谔的猫、 EPR悖论薛定谔的猫(Schrdingers cat)是关于量子理论的一个理想实验 。 薛定谔和他的猫（薛定谔和他的猫（ 19351935年）年）玻尔名言：谁要是第一次听到量子理论 时没有感到困惑
9、，那他一定没听懂 这个猫十分可怜，她被封在一 个密室里，密室里有食物有毒 药。毒药瓶上有一个锤子，锤 子由一个电子开关控制，电子 开关由放射性原子控制。如果 原子核衰变，则放出阿尔法粒 子，触动电子开关，锤子落下 ，砸碎毒药瓶，释放出里面的 氰化物气体，雌猫必死无疑。 如果我们不揭开密室的盖子，根据我们在日常生活 中的经验，可以认定，雌猫或者死，或者活。这是 她的两种本征态。 但是，如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫，则 只能说，她处于一种活与不活的叠加态。 我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切地知道雌 猫是死是活。此时，猫的波函数由叠加态立即收缩 到某一个本征态。 量子理论认为：如果没有揭开
10、盖子，进行观察，我 们永远也不知道雌猫是死是活，她将永远到处于半 死不活的叠加态。这与我们的日常经验严重相违， 要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活？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！要等到打开 箱子看猫一眼才决定其生死。（请注意！ 不是发现而是决定，仅仅看一眼就足以致 命！）爱因斯坦将薛定爱因斯坦将薛定谔谔的意见看作是证明的意见看作是证明 “ “对世界的波动描述是不完备的对世界的波动描述是不完备的” ”的的“ “最佳途径最佳途径” ”。哥本哈根的几率诠释 哥本哈根的几率诠释的优点是：只出现一 个结果，这与我们观测到的结果相符合。 但是有一个大
11、的问题：它要求波函数突然 坍缩。但物理学中没有一个公式能够描述 这种坍缩。尽管如此，长期以来物理学家 们出于实用主义的考虑，还是接受了哥本 哈根的诠释。付出的代价是：违反了薛定 谔方程。这就难怪薛定谔一直耿耿于怀了 。 想象一个基本粒子，例如电子既不在这里 又不在那里而是以一定几率在空间分布 着的这是可以理解的。 然而难以想象的是一个非常熟悉的事物， 像描处于这种形式的假死状态。 薛定谔构想这个仍于是为了说明在严格的 哥本哈根解释中存在着理疵，因为很显然 这只描不可能同时既是活的，又是死的。 但是，这比一个电子的波粒二象性更明显 。薛定谔的猫佯谬的意义 常识已经作为量子世界的向导接受了检验 ，
12、这也是所希望的。对于量子世界，不要 相信我们的常识，而要相信我们直接看到 的或者用实验设备准确检测到的，对于这 一点我们是有把握的。如果不进行观察 我们就不知道匣子中发生了什么。 哥本哈根诠释在很长的一段时间成了“正统的 ”、“标准的”诠释。但那只不死不活的猫却总 是像恶梦一样让物理学家们不得安宁。 佯谬的意义：在不接受“死活”猫这样一 个“现实的情况下，是不可能与严格的哥本 哈根解释达成一致的，因为原因和结果的无 限复归。 这个佯谬曾经使维格纳和约蹬惠勒考虑过这 种可能性：高级生物的观察导致了整个宇宙 的“真实存在。休.埃弗雷特的解释 量子力学方程告诉我们，在薛定谔的著名 思想实验中，匣子里
13、面有两种版本的波函 数“活猫”和“死猫”，两者是同样真实的 。传统的哥本哈根解释从一个不同的角度 来看得这些概率。它说，从效果上看，这 两个波函数都同样的不真实。当我们往匣 子里面观看时，它们当中只有一个固化为 现实。 埃弗雷特的解释接受了整个量子方程的表 面价值并且指出两只猫都是真实的。有 一只活猫，有一只死猫，但它们位于不同 的世界中。 问题并不在于匣子中的辐射性原子是否衰 变，而在于它既衰变又不衰变。面临一个 决定，整个世界宇宙分裂成它自 己的两个版本。 这两个版本在其余各个方面都是全同的。 唯一的区别在于在其中一个版本中，原子 衰变了，猫死了：而在另外一个版本中， 原子没有衰变，猫还活
14、着。 这听起来就像科幻小说，然而它比科幻小 说所探讨的要深得多，它是基于无懈可击 的数学方程，基于量子力学朴实的、自恰 的、符合逻箱的结果。爱因斯坦波多尔斯基罗孙（ EPR）实验 这个思想实验的目的是为了揭示对于扩展于一 个大的空间域上的物理系统进行量子描述所具 有的种种深刻的奇异性。此实验要我们考虑通 过同时窥视一个粒子的位置和动量，以蒙骗海 森伯不确定性原理。采用的计谋是使用一个同 谋粒子，实行一次取代所感兴趣粒子的测量。EPR悖论 什么是EPR悖论 1935年美国物理评论的第47、48期上分别发 表了两篇题目相同的论文：“物理实在的量子力学 描述能否认为是完备的？”在47期上署名的是：爱
15、 因斯坦、波多尔斯基和罗森，在48期上署名的是 玻尔。 EPR是前三位物理学家姓的头一个字母。 EPR悖论是这三位物理学家为论证量子力学的不 完备性而提出的一个悖论，又称EPR论证或EPR 佯谬。这个悖论涉及到如何理解微观物理实在的 问题。 爱因斯坦等认为， 爱因斯坦等认为，如果一个物理理论对物理实在 的描述是完备的，那么物理实在的每个要素都必 须在其中有它的对应量，即完备性判据。当我们 不对体系进行任何干扰，却能确定地预言某个物 理量的值时，必定存在着一个物理实在的要素对 应于这个物理量，即实在性判据。他们认为，量 子力学不满足于这些判据，所以是不完备的。爱 因斯坦等人认为，量子力学蕴涵着EPR悖论，所 以不能认为它提供了对物理实在的完备描述。 玻尔对EPR实在性判据中关于“不对体 系进行任何干扰”的说法提出了异议 认为“测量程序对于问题中的物理量赖以确 定的条件有着根本的影响，必须把这些条 件看成是可以明确应用物理实在这个词的 任何现象中的一个固有要素，所以EPR实 验的结论就显得不正确了”。玻尔以测量仪 器与客体实在的不可分性为理由，否定了 EPR论证的前提物理实在的认识论 判据，从而否定了EPR实验的悖论性质。 应该说，玻尔的异议及其论证是无可非议 。可是，爱
