雷奕安
相互作用,测量,与量子纠缠小魔术
2024-1-18 16:03
阅读:1465

摘要

相互作用是物质或者世界的基本属性,它发生在任何两个或者多个客体之间。根据我们现有的理解,基本相互作用非常复杂,即使最简单的相互作用,也会涉及高阶,直到无穷阶,越来越复杂的物理过程。基本相互作用都满足狭义相对论的要求,也就是局域性的要求,任何过程都需要时间。但是量子力学中的相互作用被过度简化了,是非相对论的,不需要时间。

如果我们从基本的相互作用出发,去理解量子力学,我们会发现,量子力学并不需要诠释。同时,我们也应该从相互作用的角度去理解量子力学中的测量。考虑了相互作用后的测量不存在理解困难,以及令人烦恼的不连续性和概率。

相互作用将变化的宇宙变成一个波的体系。任何微观事件都会以光速传递其影响,从而让宇宙充满各种频率的波。

任何一个体系都会与环境中的广谱波动相互作用,体系提供的额外限制会找到体系的优势波动模式,也就是本征振动模式。

更进一步,我们会发现,所有的量子效应都是体系与环境相互作用,或者说,对环境测量的结果。包括难以理解的量子纠缠,量子擦除,量子化,等。作为例子,量子纠缠也是一个相互作用过程,只是这一过程在实验准备或者进行过程中悄然发生,忽视了相互作用的相干建立过程,会导致无法理解的“非局域”行为。所有量子纠缠实验中表现出来的非局域性,来自于全局的基本相互作用。它们都是制造了非局域性假象的小魔术。

相互作用的基本性

相互作用是指两个或多个客体之间的影响或关联。从物理上看,任何两个客体之间都存在相互作用。或者说,任何一个客体都与周围其它客体相互作用。相互作用是基本的,无法剥离的,任何客体固有的属性。任何一个客体,一定参与相互作用。它表现在所有的尺度上,是所有变化的根源。

相互作用可以是物理上的,比如力的传递或场的作用;也可以是化学上的,如原子之间的化学键;或生物学上的,例如生物种群相互影响的关系。在各个领域中,相互作用都是系统演化和变化的关键,它能产生复杂的现象和行为。在物理学中,相互作用通常通过基本相互作用力来描述,如引力、电磁力、弱力和强力,即基本相互作用。在社会科学领域,相互作用可以是人们之间的交流、协作或竞争,产生各种各样的社会结构和文化形态。相互作用体现在自然界和人类活动的方方面面。

宇宙万物及其演化,包括天体运行演化,生物界的生态和演化,人类社会的发展,国家与国家的竞争合作,人与人的爱恨情仇,……,所有层面的各种自然,社会,文化现象,如季节,昼夜,月相,国家,政体,法律,贸易,宗教,情感,都是相互作用的结果。

科学对客体的研究,就是对其基本规律,也就是相互作用方式的研究。

互作用的性

广泛,无所不在

所有物质,状态,都参与相互作用,本身也都是相互作用的结果。体现在所有的尺度和层面。相互作用是世界万物的基本属性。

引起变化,产生新现象

相互作用除了参与客体运动状态变化以外,还可以产生新的客体,新的现象,新的层次。如核反应(出现新的粒子),生物演化(新的个体,物种),分裂(数量增加)。也会出现所有客体参与才出现的新现象,如全局效应,集体效应,共振,本征态,相变,等等。

两个人,可以产生各种相互关系,爱慕,仇恨,结盟,敌对,……。两个国家,可以贸易,同盟,臣属,战争,……。

即产生涌现(emergence)。

在核反应,化学反应,生命,生态,社会,各层次都有体现。

满足因果律

基本的物理相互作用满足因果律。可能产生现状因果关系的原因很复杂,并且很早以前就发生了。比如人对某些自然现象的先天恐惧,如黑暗,猛兽,高处。但是原因必须发生在结果之前。

基本相互作用

从物理层面来说,所有各种层次的相互作用最后都归结为四种基本的相互作用,即引力,电磁作业,弱作用,和强作用。其中主导日常物理现象的是电磁作用,如物质的状态,物理和化学性质,等。

基本相互作用的复杂与交织

基本物理理论中的基本相互作用,即标准模型中的相互作用,是非常复杂的。除引力外,标准模型认为,任何一个时空点都同时包含所有的基本粒子和基本相互作用成分。在不同能量尺度,不同成分的权重,也就是该点对外表现的物理性质,不一样。具体的计算通过量子电动力学(QED)或者量子色动力学(QCD)实现。即使单独存在的一个基本粒子,也无法剥离它与真空的相互作用,并在对外的性质中体现出来,比如一个电子的电荷大小,和磁距大小。基本相互作用的复杂和交织,导致对任何基本物理系统的计算非常困难。

连续性

在微观尺度,基本相互作用是连续起作用的,可以连续加强,或者减弱,或者振荡,但是不会突然出现,突然消失,或者突变。复杂的,连续的,局域的相互作用可以产生长程或者全局有序的模式,比如本征态,优势模式,或者某一稳定关联模式,如友谊,冷淡等。宇宙空间充满电磁辐射,一个系统会与背景辐射场相互作用,找到系统自身的本征态。

力与相互作用

在经典物理中,更多使用势场的概念。

势场描述了物体受到的作用力与其位置的关系。势场的梯度(即势场的空间导数)给出了作用在物体上的力的大小和方向。

举例来说,对于一个标量势场V(x, y, z)而言,物体在该场中受到的力F(x, y, z)与势场之间的关系可以由以下公式描述:

F(x, y, z) = -∇V(x, y, z)

其中∇是梯度算符,它是空间的向量导数运算符。上式表明,力是势场的负梯度。换句话说,标量势场的梯度给出了该场对物体施加的力的大小和方向。

势场是对力场或者客体受力的全局描述。

力和势场的描述是等价的。力是物体在某个具体位置受到势场作用的体现,势场是全部空间中物体受力的情况。

力只引起物体动力学状态的变化,不产生新的东西。也可能不产生动力学状态变化,如内力,表面张力,等。

举例来说,力使一个物体加速减速,或者变形,但是不会变化成别的东西,也不产生新的东西。即使最后在其它尺度产生了一个新的现象,也完全可以在微观上用简单的受力或者动力学描述。比如水分子相互碰撞吸引产生水滴。但是这些动力学变化不能产生光辐射这样现象。也就是产生一个新的东西,即光子。

但是基本相互作用可以产生新东西,包括全局的或者大尺度的模式,比如共振(也就是找到系统的本征态),或者原系统中不存在的基本粒子,比如上面说的光子。

根据基本物理理论,除了引力,所有力的来源是相互作用,也就是其它三种基本相互作用,即强相互作用,弱相互作用,和电磁相互作用。而在日常实验或者生活中,我们说到的力,除了重力和惯性力,基本都来自电磁相互作用,比如摩擦力,空气阻力,压力,拉力,表面张力,等。电磁场的任何变化,都表现为电磁波,也就是光。我们的日常环境,充斥着各种频率的电磁波。

所以可以说:相互作用是基本的,微观的来源,力和势场是更大尺度上的外观表现,并且由于缺少微观细节,是一种近似。

量子力学对相互作用的处理

量子力学中很少使用力的概念,或者虽然有,比如对力,核力,等,但却只是在哈密顿量中体现为势场的一部分。

量子力学虽然不常用到力的概念,但是仍然可以通过相应的算符,计算一个量子的受力<F>。

量子力学的势场概念和经典物理是一样的,也同样是全局的,无论是势函数,还是哈密顿量的表达。它在薛定谔方程中出现,或者另外写成哈密顿量。

上一节已经说到,相互作用更基本,更微观,力和势场的描述只是一种近似。所以在量子力学的基本方程——薛定谔方程——中,基本相互作用已经被近似处理,因而它描述的是微观系统近似的全局的性质。我们以前还论证过,薛定谔方程是一个抽象的波动方程。系统的性质维象地体现在全局的势函数和边条件中。

如果没有任何约束和外加势场,薛定谔方程的解是所有频率的平面波。再考虑到波的叠加性,我们可以说,任何波都满足自由空间的薛定谔方程。因为任何波都可以分解为不同频率平面波的叠加。

所有的基本相互作用都满足相对论的要求。但是薛定谔方程是非相对论的。它隐含地假定了相互作用传播速度无穷大。我们以前论证过,这一假定的后果是:波的相干反馈不受时间限制,瞬时完成。优势态(本征态)的建立不需要时间。系统状态变化时,不同优势状态体系的建立也瞬时发生。转换过程无法在相互作用过程中体现,系统从初态瞬时变化到末态。这是哥本哈根测量概念中量子波函数瞬时“坍缩”的来源。即使对于显含时间的哈密顿量,一般的处理也用绝热近似,即每个时刻单独求解理想的、势场和边条件确定的薛定谔方程。

复杂的,局域的相互作用变成了理想的,简单的全局势场,是量子力学对处理相互作用的基本原则。

作为例子,我们介绍一下量子力学研究原子核结构的一些基本方法。

原子核壳模型的量子力学处理方法

原子核由质子和中子构成,统称核子。质子和中子并不是基本粒子,各自都有结构。核子之间互相吸引,有点像液体中的分子。在早期的原子核理论中,就把原子核当成液滴,叫液滴模型。液滴模型能够用来理解原子核质量,结合能,以及裂变等性质。

但是,在质子数和中子数为某些特定数字时,原子核特别稳定。这些数字就叫做原子核的幻数。幻数的存在说明原子核存在结构,跟原子一样。而原子的能级结构能够很好地由薛定谔方程求解中心静电势场解决,至少对氢原子来说是这样。但是原子核并不存在一个核心。核子之间是平等的。原子核应该是一个多体体系。

能够很好解释原子核壳结构的模型是原子核壳模型(Nuclear shell model)。壳模型是一个平均场模型,也是一个独立粒子模型,类似于原子的壳模型。在NSM中,质子与中子是各自独立的一套体系,单独有自己的结构。或者说,在NSM中,中子与质子是没有关系的。当然这与核子与核子之间的相互作用是矛盾的。中子必然与质子存在相互作用,否则就应该存在单独由中子,或者质子组成的原子核,然而并不存在这样的原子核。而且,由两个中子和两个质子构成的四个核子的结构(氦4核,或阿尔法粒子),是非常稳定的。重的相对稳定的原子核,如钍,铀,及其它重元素,衰变的时候经常发生阿尔法衰变,即一次放出一个阿尔法粒子,而不是一个一个地掉出中子或者质子。

核子与核子间的相互作用,叫做核力,非常复杂,存在非线性项,也有多体项(如果有超过两个客体相互作用,除了两两之间的作用外,还有额外多出来的相互作用,不只是两两相互作用的叠加)。通过拟合氘核,以及各种能量的核子散射实验,可以得到核子与核子的势能分布,有Paris势,AV18势等等,每种核子势的表达都有很多项。从微观来看,核子也是有结构的,由不同的夸克组分构成,核力只是夸克,胶子等更基本粒子相互作用的剩余相互作用,并不基本。

但是NSM是独立粒子平均场模型,其图像是,每个核子独立地在一个势场中运动。这样一个过度简化的模型能够给出原子核的幻数,原子核激发谱,原子核的转动性质,等等。但是不能处理原子核衰变之类的问题。

NSM是一个类似原子模型的纯量子力学模型。它的使用范围很广,获得过诺贝尔物理奖。

从核子结构,以及核力的性质等来看,核子显然应该只与它邻近的核子发生强相互作用,至少主要如此,因为强相互作用比电磁相互作用强很多。也就是,核子主要的相互作用应该是局部的,邻域的。但是NSM中,每个核子在一个全局的势场中运动。它们的轨道属性等,由薛定谔方程求解。

原子核壳模型的例子说明,量子力学体系是对复杂物理体系的简化和全局描述。其实原子壳模型也一样。我们可以用量子力学把氢原子计算得很精确,但仅仅下一个复杂一点的原子,即氦原子,我们就很难计算了。

前面已经单独讨论过量子力学的测量,这里只做一点补充:

从场论和相互作用的角度来说,所有的基本物理体系都是复杂的,非线性的,涉及多体相互作用。体系必然自我或者相互作用,导致体系变化到某一状态,如整体能量最低态,本征态(优势态),等。

微观体系的测量一般意味着,测量装置对客体的影响很大,会形成新的全局优势态。我们测量得到的状态,不一定是没有测量装置影响时的状态。

量子纠缠

如果从相互作用的角度,仔细分析所有的量子纠缠实验,会发现量子纠缠并不难理解。前面也已经有文章做了描述。这里再强调说明几点:

相互作用更基本,是所有物理现象背后的缘由。

相互作用一般都会产生新的优势状态。新的优势态是新体系的自然涌现。

相互作用随时以光速发生。对于微观物理实验,或者满足相互作用充分发挥作用条件的宏观物理实验,测量装置将与系统充分作用,形成新的优势态(本征态),比如金刚石色心的共振,和光子偏振优势态的建立。

测量装置与系统相互作用过程,可以用场论中虚光子的概念描述,也可以从经典的背景波与体系相互作用来理解。

到目前为止,文献中对贝尔实验的解读,忽视了相互作用的基本性和无所不在性,以及背景电磁波与系统的相互作用无法屏蔽。

之所以说量子纠缠是一个小魔术,是因为新的优势态(相干)在系统设置好的时候,就自然建立了,就像魔术师在表演的时候,偷偷改变了道具的布置,而观众察觉不到。

转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自雷奕安科学网博客。

链接地址:https://wap.sciencenet.cn/blog-268546-1406348.html?mobile=1

收藏

分享到:

当前推荐数:5
推荐到博客首页
网友评论0 条评论
确定删除指定的回复吗?
确定删除本博文吗?