王涛
如何理解量子力学?(17)微观系统的演化
2025-11-4 17:25
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             在前边的讨论中,我们可以看到,当宏观仪器测量微观世界的时候,出现了量子塌缩,原来的波函数,在测量之后成为了测量量的一个本征函数。这里出现了一种奇怪的随机性。就好像微观世界和宏观世界,真的是两个不同的世界。(这是典型的哥本哈根观念)

     微观系统用一个波函数来描述,是因为它内在的波动性。但是这种波动性仅仅表现在我们观测的波动性,这一点是非常重要的。因为波函数的模方,就是所测量物理量值的概率。至于说微观客体的自己的波动性究竟是什么样子的,量子力学并没有说清楚。量子力学,更像是一个宏观仪器测量微观系统的一个说明说。

     于是这就有了一个新的问题,对于一个孤立的量子系统,或者受控的量子系统,这个微观系统如何随时间演化?这个与宏观世界无关的微观系统的自身演化,也是随机的么?我们发现不是。

     利用几乎相同的算符变换,薛定谔得到了薛定谔方程,也就是微观系统的波函数的演化方程,而且很简单。在演化中,能量是一个关键量。所以需要考虑能量的算符,也就是哈密顿量,可以与时间有关,也可以与时间无关。

    而能量的表达式有两个,一个是它可以描述为位置和动量的函数,一个是类似动量,能量可以一般性的描述为

image.png

这样一来,由于两种表示是等价的,所以我们就有了一个算符的等价关系式

image.png

这就是伟大的薛定谔方程。这是一个可以和牛顿第二定律的重要性一样重要的公式。

    它的正确性,当然是由实验来确定的。我们会看到,这个方程,实际上是连续的。也就是说,微观世界自己,没有和宏观世界耦合的时候,它实际上是连续变化的,不存在什么随机性的。随机性,是宏观仪器,测量微观世界才出现的。(对于这一点是有很多的争论的)。

    这样一来,宏观世界,和微观世界更像是两个不同的世界了。

    波函数究竟是什么?可能只是帮助我们解释测量结果概率关联的一个数学工具。很多人希望寻找波函数的本体论,或者更加真实的诠释,可能是意义不大的。当然,这决定于每个研究者自己怎么想。如果有这种想法的,需要先理解现有的各种诠释。我们这里不讨论这类问题。

    在我们的宏观世界,有位置,有动量。而微观世界,可能不是这样子的。用宏观仪器来测量微观客体,就好像是微观世界在宏观世界的一个投影。或者是微观世界的一些信息,进入了宏观世界。宏观的仪器上,只能显现出宏观世界的信息。我们的确可以理解微观世界的一些特征,但是究竟是什么,我们可能是不知道,或者是无法确定的。

    我们只是知道,微观世界是存在的,是决定性演化的,是实在的,但是再明确,就做不到了。

    

     

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