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1、量子力学的通俗讲座季燕江 北京科技大学物理学系 本作品采用知识共享 署名 2.5 中国大陆 许可协议授权一、粒子和波动我们对粒子和波动的概念来自直接的经验。和粒子有关的经验对象：小到石子大到天上的星星等；和波动有关的经验对象：最常见的例子是水波，还有拨动的琴弦等。但这些还不是物理中所说的模型，物理中所谓粒子和波动是理想化的模型，是我们头脑中抽象的对象。 1.1 粒子的图像 在经典物理中，粒子的概念可进一步抽象为：大小可忽略不计的具有质量的对象，即所谓质点。质量在这里是新概念，我们可将其定义为包含物质量的多少，一个西瓜，比西瓜仔的质量大，因为西瓜里包含的物质的量更大。 为叙述的简介，我们现在可把
2、粒子等同于质点。要描述一个质点的运动状态，我们需要知道其位置和质量（x,m），这是一个抽象的数学表达。 但我们漏掉了时间，时间也是一个直观的概念，这里我们可把时间描述为一个时钟，我们会发现当指针指到不同位置时，质点的位置可能不同，于是指针的位置就定 义了时刻t。有了时刻 t，我们对质点的描述就变成了（x,t,m），由此可定义速度v，现在我们对质点运动状态的描述是（x,v,t,m）。 在日常经验中我们还有相互作用或所谓力的概念，我们在地球上拎起不同质量物体时肌肉的紧张程度是不同的，或者说弹簧秤拎起不同质量物体时弹簧的拉伸程度是不同的。 以上我们对质量、时间、力等的定义都是直观的，是可以操作的。按
3、照以上思路进行研究，最终诞生了牛顿的经典力学。这里我们可简单地用两个公式：F=ma（牛顿第二定律） 和 （万有引力公式） 来代表牛顿力学。前者是质点的运动方程，用数学的语言说是一个关于位置x的二阶微分方程，所以只需要知道初始时刻t=0时的位置x和速度v即可求出以后任意时刻t质点所处的位置，即x(t)，我们称之为轨迹。 需要强调的是一旦我们知道t=0时x和v的精确值（没任何误差），x(t)的取值也是精确的，即我们得到是对质点未来演化的精确预测，并且这个求 解对t0也精确成立，这意味着我们还可精确地反演质点的历史。这些结论都是由数学理论严格保证的，即轨迹是一根理想的线。 经典的多粒子系统现在我们就
4、有了一个关于世界的整体图像：宇宙是由很多质点构成的复杂系统，它们两两之间相互作用由决定，对每一个质点我们又可列出F=ma这样的运动方程，F表示每个质点所受的合力，与其他质点的位置有关，因此这是一个联立的二阶微分方程组。还是根据数学的理论，如果我们知道了初始时刻t=0时每个质点的位置和速度，我们即可无限精确地知道系统内每个粒子的轨迹。这在哲学上被引申为所谓的决定论，我们会倾向于相信：世界只不过是个巨大的钟表，人生的命运是确定的，事物的演化也是确定的等等。 当然要想在某一时刻同时测量出全世界所有粒子的位置和速度是不可能的，但这种操作上的不可能性是否意味着-“某一时刻全世界所有粒子具有确定的位置和速
5、度”-本身就不存在呢？有些人可能会持怀疑的态度，这个可称为怀疑主义的态度，由此引申怀疑主义者会怀疑整个世界的实在性，怀疑人类是否有能力认识世 界。另一些人会倾向于相信，当然这种相信并无充分的证据，相信的好处是我们可建立起一个关于世界的整体图像，整个世界变得有秩序了，可以理解了。 不管我们是否相信决定论，牛顿力学本身获得了巨大成功，解释了大到行星运动，小到苹果落地等广泛的现象，因此主流物理学家在100多年前相信牛顿力学提供了描述整个世界的基础。 1.2 波动的图像 粒子和波到目前为止我们还没有讲波动，实际上在有了粒子的图像后，我们很容易把波动还原为很多粒子的集体运动。比如最简单的波动，抖动绳子可
6、产生一维波。 要解释这样的波动现象，最简单的模型就是假想把绳子分成很多很多份，每部分很小以至我们可将其视为质点，质点间的力用弹性力表示。看起来这就是一根弹簧， 上面放了很多等质量的小球，如果你横向摇晃第一个小球，这种运动就会渐次地传递给其他小球，即所谓横波；如果你纵向压缩拉伸第一个小球，这种纵向的振动也会渐次地传递给其他小球，即所谓纵波。 由此可见波动是一种集体运动，是由很多粒子参与步调统一的运动。最简单的波动是单色平面波，即体现为正弦或余弦函数：。波动的特点是会传播出去，因此你很难说波的位置在什么地方，对单色平面波来说，波动更是充满整个世界，位置概念是没有意义的。但我们可以发现相邻波峰间距离
7、总是相同的，于是可定义波长：，我们还可发现每个质点振动一个周期的时间也是相同的，因此可定义频率：。 很多质点的集体运动-“波动”-和“粒子”是很不同的，描述粒子的运动，使用位置和速度（有了分析力学之后，物理学家更习惯使用动量 p=mv 来代替速度），描述波动使用波长和频率。粒子的特点是分立的，每个粒子会集中地携带能量（），而波动的特点则是弥散的，能量会均匀地分布在介质（中的每个质点）上，波动的能量正比于波幅的平方。从这个意义上我们说粒子的图像和波动的图像是排斥的，即我们无法想象一个对象既是粒子又是波动。 1.3 电磁波 尽管粒子的图像和波动的图像是互相排斥的，我们仍会认为粒子的图像更本质，波动
8、的图像可还原为粒子的语言，因此是从属的。但物理学家很快又发现了一种新的波-电磁波。 电磁现象是不同于机械力学（即上面讨论的质点或质点系的运动）的新现象。麦克斯韦是电磁学中的牛顿，他提出的麦克斯韦方程组是解释电磁现象的基础。利用麦克斯韦方程组最重要的预言是光波就是电磁波。所谓电磁波就是电场（E）和磁场（B）在空间中的传播，和机械波中质点振动会在空间中传播一样，它们都满足类 似的波动方程，只是波动传播的速度不同而已。 物理学家自然提出一个任务，即能否把电磁波还原为纯粹的机械运动？追求统一的物理是物理学家永恒的追求，牛顿使天上的物理（行星运动）和地上的物 理（苹果落地）统一，麦克斯韦使光学和电磁学统
9、一，那么经典力学和经典电磁学也应该是统一的。但实际上把电磁波还原为机械运动的努力是徒劳的，爱因斯坦另辟蹊径建立狭义相对论完成了这一任务。 如果考虑到光波或电磁波无法还原为机械运动，我们现在可说粒子的图像和波动的图像在概念上是同样重要的，粒子的图像和波动的图像是排斥的。二、波粒二象性在1900年前后物理学家已经建立起来由经典力学，经典电磁学和经典统计力学组成的经典物理学体系，有很多物理学家乐观地认为将来的工作仅仅是再往小数点后面再加几位。但一系列新现象却最终颠覆了经典物理学，今天我们说科学的基础，一般指的是相对论和量子力学。 根据一般的观点，量子力学诞生于原子物理学，即关于原子尺寸物理现象的研究
10、。今天我们知道原子大约是0.1纳米，而人类肉眼可分辨（假设可借助光学显微 镜）的尺寸大约是可见光波长的数量级-几百纳米，即我们研究的对象小了至少几万倍。从这个意义上说量子现象是超越于我们日常经验之外的。当我们提到粒子和波动的时候，即便没有系统地学习过物理学，我们也可借助日常经验知道粒子大致指的是什么现象，波动指的是什么现象。但当我们提到原子或电子的运动时，我 们就没有这样的直观了。 2.1 双缝实验 所以必须得有一个机会供我们直观地体验一下量子现象。费曼曾提出著名的双缝实验1，通过这个实验我们可建立量子力学的最基本概念-波粒二象性。 经典波动的双缝干涉首先在光学中也有双缝实验，即当光通过双缝后
11、，会呈现明暗相间的条纹状分布，这个称为干涉。干涉现象可以 很容易地用波动图像解释。光是电磁波，当波照射到双缝上时，每个缝相当于是新的波源，每个波源都会发出一系列波峰和波谷，当两个波峰相遇时则加强呈现出明 亮的条纹，当一个波峰和一个波谷相遇时则抵消呈现出暗条纹。 经典粒子通过双缝现在我们假设以一束电子入射到双缝上，看看会发生什么现象。电子是量子力学对象，但现在我们先猜测它就是经典的粒子，这种情形下电子穿过双缝-呈上、下两个条状分布。那么实验的结果是什么呢？是明、暗相间的条纹状分布，就好像是光学中的双缝实验结果一样。这是否意味着电子是一种波动呢？就好像迄今为止我们都理所当然地认为光就是一种波动。
12、波粒二象性我们可以再做一个实验，让电子一个、一个地通过双缝，看看是否会有干涉现象。实验结果是电子将随机地出现在任意位置，我们根本无法预测电子下一次出现在何位置。但我们也注意到电子并未弥散开来，每次都只出现在一个位置，这说明电子是粒子，具有唯一的位置。另外一个特点是当我们进行很多次这样的单电子双缝干涉实验后，电子的总体分布会趋于明暗相间的干涉条纹。 有趣的是，对于我们一直认为是波动的“光”，我们也可完成类似的实验，即当我们降低光的强度，最终我们发现光竟然也是由一个一个的粒子-“光子”组成的。当光强极弱时，我们可完成所谓单光子干涉实验，每个光子对应一个随机的位置，很多单光子事件累积起来呈现干涉条纹
13、。实际上人眼就是理想的“单光子”探测器，生理实验证明只需要5个光子就可使视杆细胞兴奋2。 因此，把电子（或光子）简单地设想为经典的粒子或经典的波动都是不可能的，现在我们说电子（或光子）首先是粒子，但它不是经典的，不能用位置和动量描述，而需要用波函数来描述电子的运动状态。这就是所谓波粒二象性，这与日常经验中的粒子是两回事，但物理学家们一般还称呼它们是粒子。2.2 波函数 根据量子力学，粒子的运动状态是由波函数来描述的，其实经典的波动也是由波函数来描述的。量子力学中的波 函数和经典波动波函数的区别在于：经典波动波函数有确切的物理含义，比如电磁波波函数表示的是变化的电场或磁场；量子力学中波函数不对应
14、确切的物理含义， 它一般是复函数，而物理量（如位置、动量）的取值是实数，但物理系统中所有信息却又都包含在波函数中，即根据波函数我们可求出物理量的取值。从数学形式上 看波函数很类似经典波动的波函数，因为经典波动为计算方便也常常表示为复函数的形式；而量子力学中波函数在某些特定情况下也可表示为实函数的形式。这给思考量子力学问题带来很多直观上的好处，因为想象一个经典波动总是很容易的。最简单的波函数是单色平面波：，它所描述粒子的动量是：，能量是：（前者是德布罗意的贡献，后者是普朗克等的贡献）。动量的表达式很有用，稍作变形：，这个公式代表了波动语言（左边）和粒子语言（右边）的对应关系。 如前所述，波函数本
15、身没有物理意义，但其绝对值的平方代表发现粒子的几率密度，这叫做波函数的统计解释（或玻恩解释）。因此粒子的平均位置：。用波函数的统计解释，可以很容易地理解费曼双缝实验，单电子通过双缝，可用波函数表示，这里的1和2并不是表示1、2两个电子，单电子意味着只有一个电子，和都是这个电子波函数的一部分，1 对应的是上缝，2对应的是下缝。电子的几率分布为：，这相当于经典光学中两束光波的迭加，体现为明暗相间的条纹，从数学上说它是由于干涉项导致的。2.3 测量 我们继续对最简单的波函数：做一些讨论，假设我们设法测量一下粒子的位置x3。 根据统计解释，波函数绝对值平方是粒子的分布几率，由于波函数的振幅是常数，粒子
16、是等几率分布的，因此我 们可能在空间中任意地方等几率地观测到粒子。那么对于一次具体的测量，粒子将出现在何位置？我们没法预测，只知道会在空间任何地方，而按照经典的粒子图 像，我们总可在一定精度内测出经典粒子的位置。几率本质地出现在量子力学中，这和经典力学决定论式的世界观有本质的区别。 暂不讨论我们是如何测量粒子位置的，假设t=0时我们完成了一次成功的测量，我们会观测到粒子在某确定位置，现在我们问：在t=0之前的一瞬间粒子在什么地方？关于这个问题有两种答案4： 答案1：虽然我们无法精确地知道粒子在什么地方，但我们可推测其一定在附近，因为根据狭义相对论，粒子运动速度存在一上限，因此在测量前一瞬间，粒子应
