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为什么没有人理解量子力学?--二议《量子空间》一书

已有 588 次阅读 2021-5-2 20:08 |个人分类:量子力学|系统分类:科研笔记

为什么没有人理解量子力学?

Why does no one understand quantum mechanics?

------二议《量子空间》一书

都世民

摘要:本文主要根据《量子空间》一书,讨论为什么没有人理解量子力学?首先对量子力学的提出,关键是,有几种说法。然后讨论为什么说量子力学难懂。最后笔者讨论为什么理解不了量子力学?

关键词:《量子空间》,量子力学,时间简史,轨道角动量,

 

引言

《量子空间》一书有一节“为什么没有人理解量子力学?”。笔者也有这样的感觉,究竟是怎么回事?是因为量子力学难懂吗?这量子力学是怎么提出来的?怎样介入量子力学?它到底有什么用途?

量子通讯、量子雷达、量子计算机,已经成为关注的前沿科学热点话题。这个新学科能像100年前,电磁理论问世那样,改变了整个世界,电报、电话、通信、雷达、导航相继出现,广泛用于各个方面。今天的量子力学,引岀量子通讯、量子雷达、量子计算机,很少有人懂得这些新技术,被量子纠缠、量子叠加搞得迷糊,不知从何了解。

原先以为量子力学是讲述粒子方面的知识,最近却传出量子不是子,量子是现代物理的重要概念。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把这个物理量最小单位称为量子。笔者在了解“轨道角动量(OAM)”这个概念时,却发现在光波段引入了量子概念,而在天线领域没有人引进这个概念。

有的人认为“轨道角动量”是电子绕着电磁波传播方向旋转,也有的人认为是光子绕着光束传播方向旋转。此外,有人则认为是平面电波的相位波前绕传播方向旋转,这三种说法是一回事儿吗?还是因为不同学科对同一概念形成的不同理解,难道还会另外原因?

量子力学是怎样提出来的?

美国物理学家理查德·费曼有一次有感而发:我想我可以有把握地说,没有人理解量子力学”。他的这句话有没有道理?多学科科研人员在接触到量子力学的时候,是什么样的感受?有的院士对量子力学的说法,也让人感觉难以理解。这究竟是怎么回事儿?

1)量子力学是怎么提出来的?

· 科学家霍金在《时间简史》一书中指出,科学的终极目的是提供描述整个宇宙的单一理论,然而大多数科学家所遵循的方法,是把问题分成两个部分,一部分是根据一些定律说明宇宙随着时间的变化,另一部分是研究宇宙的初始状态。要研究出单一的理论是非常困难的。如今科学家按照两个基本的部分理论,即广义相对论和量子力学来描述宇宙,这是本世纪上半叶伟大的智慧成就。广义相对论描述引力和宇宙的大尺度的结构,而量子力学处理极小尺度的现象,这两种理论,不是相互协调的,它们不可能都正确。当代物理学的一个主要目的是寻求一个将其合并在一起的新的理论------量子引力论。现在还没有这个理论,又或者形成这个理论需要有很长的路要走。

·笔者思考在大、小宇宙之中,这个尺度怎么划定?大、小宇宙很难统一划分尺度的标准。在生物医学界,确切的说主要是研究微观层面,而人体的巨系统才是宏观层面。可是生物医学界并没有量子理论的说法,这又是怎么回事儿?研究量子力学的人不一定懂得生物医学,因为在量子力学的著作中,没有细胞、基因、蛋白质这些概念。霍金的说法在这里就很难理解。

·中国科学院大学本科生教材《量子力学基础》在讲述量子力学的出现,作者认为,热辐射是构成物质的电荷震荡发出的电磁波,热辐射的吸收与物质构成有关,玻璃透过可见光,金属反射光波,而炭黑吸收光,也有物质不反射光、不吸收光,而沿其表面传播。在玻璃中电子基本束缚在原子里,可见光区缺少吸收线,但是红外线、紫外线仍有吸收。详细解释这些现象,需要量子力学。

· 《量子空间》一书是通过讲述物理学的革命,引出量子力学。作者认为,物理学领域的革命不止一次,爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论告诉我们关于空间和时间的本质的新知识,并且把物质和能量联系在一起,便引出质能的概念。对于相对论适用的情况下,时空之类的东西-----物质(由粒子组成)和辐射(由波组成)的行为。

物理学的第2次革命,改变了我们对物质和辐射的本质,它们与能量的关系,以及对爱因斯坦方程的理解,这就引出了量子力学。而量子力学的出现,科学家对这些问题的争论,作者指出,要学会量子力学所有数学处理方式已经够困难的,如果感觉到量子力学很奇怪,令人难以理解,那么你首先必须记住,量子理论是正确的,无论如何它都是大部分当代物理学相当一部分化学以及整个当代的电子技术的基础。这就是好学生的状态。

笔者列出了以上几种说法,量子力学是怎么出现的?科学家为什么提出了这一个理论?提出这个理论后,它能解释所有现象吗?这一理论与过去的有些理论是否冲突?

为什么量子力学难懂?

一开始接触量子力学的人,很难搞明白量子力学讲什么?巴戈特通过双缝干涉实验,这个物理现象不可能用经典方式来理解,双缝干涉实验是19世纪初物理学家发现的,他给光的波动说提供了有力的证据,光波通过狭缝发生衍射,其边缘是弯曲的,如果是多条狭缝,就会形成明暗相间的条纹,这是波的明显特性。你好,

1905年,爱因斯坦提出光可能最终是由粒子,也就是光量子组成的。按此说法,光既可以是粒子也可以是波。

1923年法国物理学家路易·德布罗意提出小的物质粒子,例如电子,也可以表现出波的行为。怎么证明呢?同样是用双缝的实验。结果表明,一条缝的时候,电子是沿直线投射,在两条缝的情况下,却形成了栅栏一般的明暗相间的条纹,如何解释这个实验呢?如果单纯的把电子看成粒子,它只可能通过一条缝,不可能同时通过两条缝,按照这种逻辑,不可能形成明暗相间的条纹。用胶片记录电子打出来的位置,对不同数量的电子,打出的结果表明,打7万个电子,呈现了明暗相间的条纹,在电子数比较少的情况,有3000个电子,呈现的条纹不明显。会不会是电子在通过双缝之前是波状态,因为波是没有边界的,非局域性,而电子是粒子的情况,它是有局限性的。于是引入了玻恩的电子波概率的说法,发现这样解释同样有问题,于是引出波函数坍缩的概念。量子力学是假设波函数坍缩这个过程,为了解释为什么分布式的非局域的量子系统,会在一次测量中突然变成了局域化,这无法用数学公式表达。爱因斯坦却对此有疑问,他认为信息传递速度不能超过光速,波函数坍缩必须在瞬间发生。通常我们都认为因果之间有直接联系,但是在量子力学,不认为是这样,却将因果关系看成是一种量子概率,这个概率表现在波峰和波谷形成了波函数来决定,这就像掷骰子一样。爱因斯坦不同意这种说法,如果波函数坍缩发生了,那为什么还要假设它是在微观层面的一个过程呢?波函数坍缩带来不确定性,薛定谔的猫试验是讲量子概念,从原子一直传递到封闭的盒子里的猫身上,量子概念本质上从一个粒子既可以在这里,又可以在那里,只有打开盒子的瞬间,波函数坍缩,猫是死是活也就决定了。海森堡提出的不确定性原理,试图给这种实验加以限制条件,例如电子所在的空间位置,它的动量,以及能量和动量的变化速度。尽管如此,仍然不可能很精确地同时测量电子通过双缝的路径,并记录干涉条纹。那是否表明波粒二象性无法同时展示?但是玻尔却认为波和粒子这两种非常不同的行为,是不矛盾的,是互补的。玻尔认为这种互补性设定,不是像海森堡那样的限制,什么是可测量的?而是什么是可知的限制。这样的想法后来称作为哥本哈根诠释,这是对理解量子力学的整体认知。

不难看出,《量子空间》的作者,花了不少笔墨,叙述争论的过程和相关实验,这波粒二象性的问题与量子力学的相关认识密不可分,不能同时展示波粒二象性,到底是测量仪器装置的限制,还是我们人类眼睛本身的限制,或者是我们人类认知的限制,玻尔认为不是这些限制,而是量子层面的本质所决定,是因为这些测量仪器本身就不可能设计出来。为了解决这方面问题,科学家们想出了多种方法,提出一系列的量子理论,试图诠释上述问题。如此说来,量子力学的提出和相关的理论出现,是可以理解的。然而提出量子理论,是否只为解释双缝实验?还有没有其他的用途?如果不进行上述的相关论述,去看《量子力学基础》,就很难看懂。那么多数学公式和符号,必须逐一搞清楚,这不可能通过碎片化的网络知识能解决的,必须有系统的了解,认真的学习。而且首先要认为量子力学理论是正确的,如果持怀疑态度,那就很难理解。

为什么理解不了量子力学?

·如上所述,从巴戈特叙述中,了解了海森堡和玻尔的争论,海森堡认为仪器的“笨手笨脚”,限制了精确测量粒子的位置和动量。笔者思考,如果测量的是粒子位置和能量,粒子的位置是可见的,而能量则是不可见,那么这两种测量的对象是不可能用同一种方法展示。在天线学科测量电磁场的分布,可以三维展示,但不能展示粒子的轨迹,也就是说这两种测量对象用同样的方法是不可能测量的,那么有没有可能这两种测量装置在同步进行的情况下来测量这类问题?如果这能够实现,那么量子力学还有必要吗?

·笔者看见波函数坍缩的图形与辐射场的图形有关联,如果把粒子看成为电小偶极子,那么它就会有辐射场的存在,这是肉眼不可直接看到,当辐射场照射到缝隙的边缘,这会发生电磁散射,众多的电小偶极子辐射场形成的散射场叠加,有可能就是这栅栏状的干涉图形。在光学领域通常把光波看成直线传播,因为是几何光学,如果用几何绕射理论与物理光学方法分析,就没有必要用胶片来显示粒子的位置和动量。

·巴戈特在书中提出隐变量和导航波的概念,然而这种说法是一种猜测,也没有根据。如果电子既是粒子又是波,那么这个波实际上是能量,那能量又是不可见,它是场的分布,需要用测量场分布的仪器来展示。在物理学科,就不一定了解这方面的知识。

·“轨道角动量”这个概念,有几种说法,到底在不同频段的时候,是电子还是相位波前绕传播方向旋转,或者说既有粒子又有波前,同时绕传播方向旋转。如果是后者,同样无法用测量手段同时展示。有的文章却将量子概念引入,把这种绕传播方向旋转的次数称作量子数,这个量子数的概念,是否要用量子力学来处理?会带来什么好处?难道角动量量子化,是因为不能确定旋转物质的空间位置吗?实际上这是与相位有关,如果相位确定,就可以确定其空间位置。相位的变化是周期性的,就会出来多少次变化。问题还是在于到底是粒子还是波前的旋转?这就与上述讨论相互关联。

参考文献

1][英]吉姆·巴戈特,《量子空间》通往万物理论的新途径,[M],齐师榜译,中信出版社出版,201911月。

2轨道角动量(OAM),(https://download.csdn.net/tagalbum/1549389

3]史蒂芬·霍金,《时间简史》,[M],吴忠超译,湖南科技出版社出版,20111月。

4]郑伟谋,《量子力学基础》,[M],科学出版社出版,201911月。

5《自然》子刊:型光学天线可消除数据传输限制”。来源:前瞻网2021-02-28 https://www.sohu.com/a/453148486_100034932

6]如何理解轨道角动量?来源:中国知https://www.zhihu.com/question/65657379

 

 




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