量子力学的多世界解释

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1、量子力学的多世界解释量子力学的多世界解释中 文 摘 要量子力学自从诞生以来关于其完备性的争论便一直存在，论文通过对量子力学的发现和其基本内容以及其发展过程、发展现状的描述引出量子力学的完备性争论。继而通过以爱因斯坦为代表的 EPR 一派和以玻尔为代表的哥本哈根一派的争论，直至 50 年代初期出现的以玻姆为代表的关于“隐变量”的描述来了解各种关于量子力学完备性解释的理论。在 EPR 一派和哥本哈根一派的解释之外，1957 年休艾弗雷特（Hugh Everett）提出了量子力学的多世界解释，多世界解释的出现为量子力学解释的完备性做出了巨大的贡献，论文通过多世界解释的出现、低潮、再次发展以及发展壮大

2、的近半世纪的历史过程来详细阐述多世界解释的核心理论、多世界解释的意义、科学界对多世界解释的看法以及多世界解释所存在的缺陷，通过多世界解释来进一步加深对量子力学解释完备性的理解与认识。关键词：量子力学的完备性，哥本哈根解释，EPR 佯谬，多世界解释 第一章 引 言1.1 课题的背景和意义量子力学从产生到现在大约经历了百年的时间，在这百年之中，它的发展促使了人类社会和人类科学的进步。目前量子力学相继应用于基本粒子、原子核、原子和分子、固体和液体等各种物理系统，都取得了巨大的成功。最引人注目的就是量子计算机的产生和发展，它将彻底改变人们的有关计算的理解。关于量子信息的前沿研究工作表明，量子力学的基本

3、概念有可能改变人们对信息存储、提取和传输过程的理解。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。 可以毫不夸张的说，20 世纪的科学是量子力学的科学。相对于在社会发展中所取得的巨大成就，量子力学在其自身理论的完善上总是无法取得多数科学家的一致认同。在量子力学发展过程中，以玻尔等为代表的哥本哈根解释有着举足轻重的作用，近年来的系列实验也进一步证明哥本哈根解释确实有一定的正确性，但是许多令人疑惑的问题依然存在。而量子力学的完备性也一直备受一部分科学家所诟病，于是在哥本哈根解释之量子力学的多世界解释外，一系列其他的理论出现在人们面前。本课题便着重研

4、究量子力学的一个重要解释多世界解释。我们相信，目前量子力学的基本理论既不是最终理论，也不会停留在现有的水平上，它一定会继续深入发展下去，至于如何发展，这类问题应在辨证唯物主义指导下，通过实践得以解决。这些问题得到了解决，我们社会将会发生更大的变化，我们的生活、工作和学习也会是另一种模式。1.2 目前量子力学的主要派别量子力学建立初期居于统治地位的是以玻尔、海森伯和波恩为代表的哥本哈根解释，也就主要是他们的理论构成了哥本哈根解释的大厦，其中是玻尔的“互补理论” 、海森伯的“测不准原理”和波恩的几率波解释。目前国内大多数的量子力学教材都是在哥本哈根解释的基础上来讲述的。后面我们还将详细的讲哥本哈根

5、的解释。到现在，因为哥本哈根解释的不完备性，在量子力学领域又出现了许多新的学派，例如：1952 年，玻姆提出了隐变量理论，他的理论给波函数增加了额外的隐变量，从而可以赋予系统的性质以确定的值。玻姆认为，在量子世界中粒子仍然是沿着一条精确的连续轨迹运动的，只是这条轨迹不仅由通常的力来决定，而且还受到一种更微妙的量子势的影响。量子势由波函数产生，它通过提供关于整个环境的能动信息来引导粒子运动，正是它的存在导致了微观粒子不同于宏观物体的奇异的运动表现。在其理论中，粒子与波函数同时存在，其中波函数被看作是一种存在于数学空间中的物理场，满足连续的薛定谔方程，并且不坍缩，而粒子则由波函数引导进行运动，同时

6、具有确定的位置和速度。1957 年，普林斯顿大学的研究生艾弗雷特三世（Hugh Everett ）提出了多世界解释，他认为正统解释中的波函数坍缩是不必要的概念，并重新给出了量子力学的相对表述，他还认为，由于在复合系统的叠加态中，每一个成员态包含一个确定的观察者态、一个具有确定读数的测量仪器态，以及一个确定的被测系统态，因此作为叠加态中的每一个成员态描述一个感知到一个确定结果的观察者，对于这个观察者被测系统的状态似乎已经被转换成对应的坍缩态。于是，对于每一个由叠加态中的一个成员态所描述的观察者来说，波函数坍缩似乎已经在一个主观水平上发生，而他只感知到一个结果 1。其它的关于量子力学的解释还有一致

7、历史、修正的量子动力学等解释。1997 年 8 月，在美国马里兰大学举行的量子力学讨论会上，物理学家们对他们认可的量子力学解释进行了投票，结果如下：表 1-1.量子力学 97 年投票情况量子力学解释 投票数量子力学的多世界解释续表 1-1.量子力学 97 年投票情况3）哥本哈根解释 134）多世界解释 85）隐变量解释 46）其他解释（包括未决定者） 231999 年 7 月，在剑桥的牛顿研究所举行了一次关于量子计算的会议，其间人们对量子力学解释再一次进行投票表决，结果如下：表 1-2.量子力学 99 年投票情况量子力学解释 投票数1）多世界解释 302）哥本哈根解释 43）修正的量子动力学

8、44）隐变量解释 25）其他解释（包括未决定者） 50很多物理学家认为多世界解释是目前最好的解释，在弦理论家、量子引力和量子宇宙学中最受欢迎，相信它的著名物理学家有霍金、费曼、盖尔曼和温伯格等。每一种解释都有它合理的地方，但限于目前的科研条件、研究状况，还不能说明哪种是正确的，而哪一种是错误的。当前美国著名物理学家玻姆等人所主张的量子力学的隐参量解释，也是一个相当活跃的研究领域，许多科学家一直在通过实验来检验隐参量理论的正确性，也许将来有一天，在实验上得到突破，证明隐参量确实存在，可想而知，这将对量子力学又是一场革命。量子力学的多世界解释量子力学是一门新兴的学科，它的发展只不过经历了大约百年的

9、时间，它已经有了一定的理论体系，但是，还有许多问题还没有得到很好的解决，还存在着很多争论。从目前量子力学多种解释的并存现状也可以看出量子理论还有待进一步发展、完善。我们总观科学的发展史可见，无论是社会科学还是自然科学，当它遇到难以解决的困难时，往往会把问题上升到哲学的高度来考虑，就像我们这篇论文讨论的有关量子力学争论中的哲学问题一样。从哲学的角度考虑这些难以解决的问题，会使社会科学、自然科学和哲学相互推动，共同发展。第二章 早期关于量子力学解释的争论2.1 量子力学的发现与发展19 世 纪 末 20 世 纪 初 ， 以 牛 顿 定 律 为 基 础 的 经 典 力 学 已 经 取 得 了 重 大

10、 的成 就 ， 当 时 人 们 普 遍 认 为 经 典 力 学 已 经 相 当 完 备 ， 而 物 理 学 所 需 要 的 也 仅 是在 经 典 力 学 基 础 上 的 一 些 小 的 修 补 ， 但 是 经 典 力 学 却 在 实 验 方 面 遇 到 了 一 些严 重 的 困 难 ， 这 些 困 难 被 看 作 是 “晴 朗 天 空 的 几 朵 乌 云 2” ， 然 而 谁 也 没想 到 正 是 这 几 朵 乌 云 却 引 发 了 物 理 界 的 变 革 ， 继 而 诞 生 了 量 子 力 学 。19001926 年是量子力学的酝酿时期，此时的量子力学是半经典半量子的学说，称为旧量子论。量

11、子 力 学 就 是 在 旧 量 子 论 的 基 础 上 发 展 起 来 的 。 旧 量子 论 包 括 普 朗 克 的 量 子 假 说 、 爱 因 斯 坦 的 光 量 子 理 论 和 玻 尔 的 原 子 理 论 。旧量子论开始于德国物理学家普朗克对黑体辐射的研究。黑体辐射是 1900年经典物理所无法解决的几个难题之一。旧理论导出的黑体辐射谱会产生发散困难，与实验不符。普朗克于是提出“能量子”概念，认为黑体由大量振子组成，每个振子的能量是振子频率的整数倍，这样导出的黑体辐射谱与实验完全符合。“能量子”是新的概念，它表明微观系统的能量有可能是间隔的、跳跃式的，这与经典物理完全不同，普朗克因此就这样吹

12、响了新的物理征程的号角，这成为近代物理的开端之一 3。1905 年，爱因斯坦利用能量子的概念成功地解释了光电效应。1912 年，玻尔根据普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说以及卢瑟福的原子行星式结构模型，成功地导出了氢原子光谱线位置所满足的公式，从这以后掀起了研究量子论的热潮。量子力学的多世界解释1924 年，法国人德布罗意根据光的波粒二象性理论、相对论及玻尔理论，推断认为一般实物粒子也应具有波动性，提出了物质波的概念。德布罗意波由爱因斯坦通过实验得到验证，1926 年奥地利学者薛定谔建立了量子力学的波动方程。与此同时，受玻尔对应原理和并协原理影响的德国青年海森堡提出了与薛定谔波动力学等价但形式

13、不同的矩阵力学，也能成功地解释原子光谱问题。矩阵力学和波动力学统称量子力学，量子力学就这样正式诞生。(2.1)2xyz8m/hEU ， ， ， ， x， y， z 0(2.2)ph/4tE 其 中 x 为 位 置 的 不 确 定 性 , p 为 动 量 的 不 确 定 性 , t 为 时 间 的 不 确定 性 , E 为 能 量 的 不 确 定 性 ,h 为 普 朗 克 常 数 。量子力学与经典力学对物质的描述有根本区别。量子力学认为“粒子轨道”概念是没有意义的，因为我们不可能同时确定一个粒子的动量和位置，我们能知道的就是粒子在空间出现的几率。量子力学用波函数和算符化的力学量取代过去的轨道和速

14、度等概念，将不可对易代数引进了物理。19 世纪 20 年代后期狄拉克建立了狄拉克方程，狄拉克方程成为量子力学最有名的方程之一。狄拉克方程式的形式如下：（2.3）(,) 1)(,xtihmxti其中 m 是自旋-粒子的质量，x 与 t 分别是空间和时间的座标。狄拉克还将电磁场量子化，从理论上证实了 1905 年爱因斯坦的光子学说的最重要观点光是由光子组成的。作为一个体系，量子力学的建立大致在 20世纪 20 年代末完成，此后量子力学就被应用到实际问题中去了。量 子 力 学 在 低 速 、 微 观 的 现 象 范 围 内 具 有 普 遍 适 用 的 意 义 。 它 是 现 代 物理 学 基 础 之

15、 一 ， 在 现 代 科 学 技 术 中 的 表 面 物 理 、 半 导 体 物 理 、 凝 聚 态 物 理 、粒 子 物 理 、 低 温 超 导 物 理 、 量 子 化 学 以 及 分 子 生 物 学 等 学 科 的 发 展 中 ， 都 有重 要 的 理 论 意 义 。 量 子 力 学 的 产 生 和 发 展 标 志 着 人 类 认 识 自 然 实 现 了 从 宏 观世 界 向 微 观 世 界 的 重 大 飞 跃 。量子力学的多世界解释2.2 巨 人 的 对 话2.2.1 EPR 佯 谬不 同 于 19 世 纪 以 前 的 经 典 物 理 和 后 来 的 相 对 论 对 自 身 理 论 的

16、完 美 阐 述 ，量 子 力 学 在 自 身 的 完 备 性 上 总 是 存 在 种 种 缺 陷 ， 这 使 得 相 当 一 部 分 的 科 学 家对 量 子 力 学 提 出 了 质 疑 ， 同 时 他 们 认 为 量 子 力 学 在 哲 学 解 释 上 也 不 尽 如 人 意 。于 是 ， 针 对 这 些 量 子 力 学 中 存 在 的 疑 惑 ， 物 理 界 展 开 了 史 无 前 例 的 大 论 战 。1928 年 玻 尔 首 次 提 出 了 互 补 性 观 点 ， 试 图 回 答 当 时 关 于 物 理 学 研 究 和 一些 哲 学 问 题 。 其 基 本 思 想 是 ， 任 何 事 物 都 有 许 多 不 同 的 侧 面 ， 对 于 同 一 研 究对 象 ， 一 方 面 承 认 了 它 的 一 些 侧 面 就 不 得 不 放 弃 其 另 一 些 侧 面 ， 在 这 种 意 义上 它 们 是 “互 斥 ”的 ； 另 一 方