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量子力学、旋量场与算子代数

已有 646 次阅读 2025-1-19 21:25 |系统分类:科普集锦

相对论和量子论是20世纪物理学的两个划时代的理论。相对论否定了牛顿力学中的绝对时空观,揭示了牛顿力学的只适用于物质的运动速度远小于光速,并且相互作用距离远小于天文单位,从而可以忽略推迟势效应的情况。量子理论揭示了微观物质的波粒二象性和运动规律,打开了人们认识微观世界性质的大门。微观粒子与牛顿力学中的点粒子和刚体模型完全不同,微观粒子的属性及其结构需要用某个希尔伯特空间中的态矢量和算子代数来描述。一个多世纪的历史证明,量子理论是一个经受了无数实验检验,解释了众多自然现象,并且应用极其广泛的成功理论。原子、分子的光谱结构、元素周期律的规律、化学键的形成等都可由量子理论进行定量计算或定性解释。基于量子物理发展起来的高科技产品有激光器、集成芯片和计算机、电视、电子通信、电子显微镜、核磁共振成像、核能发电等等。因此可以说,量子论和相对论的建立,不但创造了现代物质文明,而且改变了人们的世界观。

量子理论的正统诠释是所谓“哥本哈根诠释”,其核心内容包括玻恩的波函数概率密度解释、波粒二象性与海森堡的不确定原理、玻尔的对应原理和互补原理、叠加态和波函数坍缩等。关于波函数$\psi$的物理意义是一个备受争议的问题,正统的解释认为$|\psi|^2$表示发现粒子的概率密度。然而, $\psi$实际上是一个比概率密度内涵丰富得多的概念,例如流矢量$q^\mu=\psi^+\alpha^\mu\psi$表示一个单位电荷的精确的四维电流分布,具有可加性,几个电荷总的电流分布是$\sum_k q^\mu_k$的形式。此外,物理系统的Lagrangian也是一个可叠加的实标量,系统总的拉格朗日量为各子系统拉格朗日量之和。微观粒子并非一个理想的点粒子,在没有确切定义其坐标和动量等概念之前,测不准关系式就是没有具体意义的空话。事实上,波函数或旋量场与基本粒子是同一个概念,一个旋量完整地描述了一个基本粒子的全部性质,可以定义一个微观粒子的所有力学量,旋量场方程逻辑地包含了牛顿力学和量子理论。

那么量子力学到底讲的什么内容呢?如果详细考察量子力学教材的内容,就能发现其中80%的内容最后都可归结为求波函数的能量本征态。引进动量算符、角动量算符和自旋算符、谐振子的产生和湮灭算符,最终的目的也都是为求解和分析能量本征函数。Dirac符号bra-ket和矩阵表示都是本征态的等价表示方法,不同情况下各有方便。这部分内容很多的诠释都是多余的,有些还是误导性的。一以贯之,把一个电子看成独立的旋量场即可解释全部内容。剩下20%内容在讲散射和统计,这一部分确实要引进统计解释,因为很多过程的微观细节都是未知的,统计解释是一种自然的解释。

哥本哈根诠释否定了超越测量或观察的客观性,也违反了人类的直观感觉和逻辑规则,因此正如费曼所言“我想我可以稳妥地说,没有人理解量子力学。”抽象算子代数的广泛应用,提升量子理论的学术水准的同时,也增加了量子理论的神秘感和迷惑性。《旋量场方程与算子代数》以旋量场方程为逻辑原点来推导和阐明量子理论的基本原理和结论,详细介绍了算子代数的起源和局限性,以及旋量场方程与牛顿力学和量子力学之间的逻辑关系。英文稿已经发表在专业期刊上,中文稿贴在这里供有兴趣的读者参考。

算子代数.pdf

具有无限关联性的量子纠缠又是怎么回事呢?首先、量子纠缠不是粒子之间的相互作用,因为在哈密顿算符内并没有对应的势能项,纠缠粒子对的动力学效应是相互独立的。另一方面,从所有量子纠缠模型可以看出,纠缠态只是一种初始状态,例如离解的电子偶素的自旋和动量纠缠,以及联级辐射光子对的纠缠态,都只是给定了纠缠对的一个初始状态。纠缠对分离后并没有相互作用,而是以纠缠态为初始条件,按照各自的动力学方程与环境相互作用开始演化,各自对各自的行为负责。上述动力学过程才是对物质世界的“同构映射”,而量子纠缠却主观地认为,纠缠粒子始终相互关联,一个粒子状态变化改变另一个粒子的状态,但这是不可能的。前面也已经阐明,带电粒子只能停留在能量本征态上,不可能停留在纠缠态或叠加态上。有人可能认为量子纠缠有实验依据,实验结果违反了贝尔不等式。然而贝尔推导不等式的隐变量密度$\rho$根本是不存在的,贝尔的论证实际上是建立在“空集”上的“虚假推理”。

综上所述,我们可以概述一下各物理理论之间的逻辑关联性。相对论是关于时空结构的几何学,具有很强的数学属性。旋量场方程对基本粒子的描述具有全息性,逻辑蕴涵了量子力学和经典力学。4维矢量势是唯一不直接影响费米子惯性质量的作用势,因此与经典力学相容。玻色子的相容性反映出相互作用势只能是线性场,满足叠加原理。时空结构和旋量场以及4维矢量势可由Clifford代数统一描述,具有超复数形式。微观粒子具有两种不同形式的运动,一种是满足经典力学的平移运动,但这不同于算符的连续谱。另一种是与本征态相关的能级间的跃迁运动,由量子力学描述。经典力学并非量子力学当$\hbar\to0$时的极限,而是关于场量诺特荷的集中参数模型,由场的对称性和守恒律决定。本文的分析表明,一个非线性旋量方程提供了关于一个基本粒子的完整描述,包含了该粒子的所有信息。旋量场的意义比概率密度要丰富得多。经典力学是关于旋量诺特荷的理论,而量子论只是关于旋量的一种特殊场论。如果所有概念之间的逻辑关系都得到澄清,那么量子理论的神秘之处都是可以理解的。在某种意义上讲,非线性旋量场和基本粒子实际上是同一个概念。



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