只要有了本征方程,剩下的量子力学假设,根据实验、经验和逻辑,就几乎都是必然的。所以,在历史上,本征方程的出现,是量子力学出现的必然开端。
微观客体的自己的波动性,在光子的双缝干涉实验中,是极其明显的。在经典的光的干涉中,通过的每一个单缝,都会有一个波,当通过双缝的时候,这两个波,就会叠加在一起,形成干涉的图样。这样的数学,我们实际上已经是非常熟悉的。
所以,在讨论光子的双缝干涉的时候,如果是一个缝,那么对应的波函数,就和经典波的形式是一样,每个缝都对应一个波函数。当通过两个缝的时候,那么这两个波函数就会叠加在一起。所以波函数会满足叠加原理。
叠加原理并不稀奇,在讨论经典波动性的时候,都是叠加原理。在数学物理方程中,如果是线性的方程,解都会满足叠加原理。
所以量子力学的一个基本假设是,微观世界的微观客体用一个波函数来描述,它满足叠加原理,可以用测量物理量的本征函数来展开,即ψ(x)=∑ciψi(x)。通过测量结果(既有波动性的,也有粒子性的),可以看到这个假设,几乎是直接的。
在讲到测量微观客体的物理量的时候,如果微观客体是一样的,也就是用同一个ψ(x)来表示,那么测量某一个物理量A的结果,会有很多种可能,如果是ai,那么出现的概率是ρi,如何再测量物理量A,结果就还是ai,所以此时的微观客体的波函数就是ψi(x),也就是测量的过程,导致微观客体的波函数从ψ(x)变到了ψi(x),发生了量子塌缩。这里边的叠加原理,就是进一步解释了,测量的概率是如何计算的。因为展开的系数是ci,所以它和出现的概率ρi之间就会有关系。考虑到光的双缝干涉的强度,是所描述的波的模方,所以很显然有关系ρi=|ci|2,也就是测量结果ai的概率。
这就给出了量子力学关于测量方面的完整的描述。在量子力学的教材中,这往往会分为三个假设,但是实际上是描述同一个测量过程。当薛定谔发现描述波动性的波动方程以后,理解这个波函数ψ(x),就成了那个时候的一个问题。其实只要有一些基础性的经验,就可以把它和测量的概率联系起来。但是当时的确不是这样的,薛定谔就做了错误的解释。后来很快,大家就都明白了,特别是玻恩,在考虑粒子散射的例子中,明确的表达了这个概率解释。玻恩因为这个概率解释,获得了诺贝尔物理学家。
这个应该是个由头,奖励给玻恩的,应该是他在建立量子力学体系中所做出的重大贡献。
所以从波动性来说,波函数和叠加原理,都是可以从经典理论中得到的,这不是困难的。正是因为光子这样的自己的波动性,当实验上是光,也就是大量的光子的时候,就直接表现了波动性。
但是,当只有一个光子的时候,的确是难以理解的。一个光子,同时具有两个路径,经过两个双缝,然后自己和自己干涉,导致光屏上的位置的出现概率,出现了干涉图样。但是,量子力学的实验和数学都指向了这个结果,这就是微观世界的实在。
很显然,这里边的冲突,是这个量子性和这个波动性的冲突,这个波动性,是这个量子自己的波动性,这怎么看起来都很诡异。如果没有量子性,只是波,那么是没有问题的。
所以量子力学的建立过程中,测量物理量对应一个矩阵或者算符这个假设的提出,是最难的,这也是海森堡和薛定谔,做出的最重要的贡献,至于别的部分,几乎就都是必然的了,不是很难的事情。对于一个科学的发现进行评价,不在于这个东西究竟有什么用,而在于哪些想法,是真正的无法理解的,是完全新的。
在科学的进步中,从来没有说一个理论都是新的,这是不可能的。这里边的关键,是有一两个点,是真正的新的,这是科学进步的根本。
一些研究中,根本就没有什么真正新的东西,却被吹嘘为重大突破,简直是莫名奇妙。如果一个想法已经有了,而且从理论能够确定,它实现的概率很大,然后实现它也比较直接,然后进一步发展也没有新的东西,那么这不是太重要的工作。
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