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如何理解量子力学?(7)构造算符

已有 1825 次阅读 2025-10-29 10:47 |个人分类:我思故我在|系统分类:观点评述

       (这几天关于贾连宝老师的奇特公式做了一些思考,现在再回到理解量子力学中来)

    在前边,基于实验结果,也就是说用宏观仪器来测量微观世界的时候,哪怕宏观仪器是一样的,测量的微观体系的状态也是一样的,测量结果也是不一样的。在这里,宏观仪器是一样的,我们很容易确定。但是微观体系是一样的,这实际上是一个理论所包含的结果。比如氢原子的基态,现实的世界中就有的。但是认为都是一样的,是存在某种假设的。

   因为我们不能直接获得微观世界的信息,都是根据宏观仪器测量的。但是对于世界的理解,肯定不能都只是测量,还要有一些本体论的特征。氢原子的基态,在我们看来,就应该都是一样的。关键是,这些本体论的特征不会与宏观测量有冲突。

   有一些人,会像自然哲学家一样,去寻找更底层的本体论,我不反对,但是也不支持。我更相信,理解微观世界,到宏观仪器,以及观察者,才是最为重要的。本体论是需要的,但是必须与宏观测量的结果一致,否则不仅形而上,就是形而下都毫无意义。

   所以对于微观世界的测量结果,一开始就是无法理解的。宏观是一样的,微观是一样的,结果测量结果是不一样的。如果不是实际的情况,就是这样的,说这话的人,几乎就可以看成是精神病了。所以1900年之后的物理学家,思考问题的方式都不是太正常,起码不符合宏观经验。

   这造成了很大的隔阂,就是物理学家,几乎无法和其他的拥有宏观经验的人进行沟通。所以,我更喜欢把微观世界看成是另外一个世界,虽然在尺度上,在宏观世界的视角下不断缩小尺度就可以达到。

   海森堡做出了第一个洞见,就是这个测量过程,应该用一个矩阵来描述。标准的说法,更加本体论,但是缺少现实性,说的是微观客体的物理量,用矩阵来描述。这肯定不是海森堡的意思,他是用观测量来构造矩阵的。

   然后伟大的薛定谔,迈出了容易理解的第二步。就是这个测量过程,用一个算符来描述。在那个年代,物流学家对于矩阵是不太熟悉的,海森堡就没有认出自己弄出来的是什么东西。是玻恩认出来的。而薛定额的算符,就都很熟悉了。

   由于热的流动和扩散,光的波动理论,麦克斯韦的电磁场方程,所以物理学家是很熟悉偏微分方程的。算符的本征方程求解,一下子让很多问题容易了起来。

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   构造这个算符,实际上非常简单。经典的物理量的基础是位置和动量,其他的物理量基本上是位置和动量的函数。而从经典的世界,进入量子的世界,就只需要一个简单的替换。上边的公式,谁看到都是感觉容易,但是又有谁能想到呢?

   这个过程,叫一次量子化。

   做了这样的替换以后,然后求解本征方程,所测量的物理量的可能结果就都知道了。实验的结果就是这样的。为什么会这样替换,是不知道的。虽然有了一些量子力学的诠释,但是都没有说明这个替换,所以在我看来都价值不大。

   我从来都不否定寻找一个本体论,但是得有意义。

   薛定谔就是因为这个,成为了有史以来最伟大的物理学家之一,因为这是这个世界上的基本奥义。我们的世界的一些关键的结果,似乎都不是很难。比如牛顿的万有引力,怎么看都很简单。(这不意味着数学简单)

   所以微观世界的物理学研究,原则上是非常简单的。就是利用这个变换,构造这个物理量的算符,特别是一个量子系统的能量的算符(叫哈密顿量),然后求解,就会得出这个系统的所有可能的能量值。

   但是这个事情,做起来的时候,就会非常麻烦,很多时候计算太困难了。

   对于一个复杂的量子系统,直接计算就不可能了。比如原子核,就需要我们从实验结果,去猜这个哈密顿量究竟是什么样子的。

   所以,原则性的肯定是重要的,但是这不意味着我们就什么都知道了。解决一个真实的问题,需要理解大量的细节。

   

                



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