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量子物理中几个容易产生误导的实验和概念

已有 1027 次阅读 2021-3-11 16:00 |系统分类:科研笔记

关于量子纠缠和贝尔不等式的解释以前专门讨论过[1,2],这里不再重复。现在简单讨论一下几个“实在没什么好说的”试验和概念,这些实验和概念在物理学中是最吸引大众眼球的。在大流量网红的科普作品中,出现的频率最高的是:微观粒子的波粒二象性,测不准原理,量子纠缠,黑洞,虫洞,宇宙大爆炸,熵等,被解释得神乎其神、玄而又玄。下面我们就量子物理中的几个问题做一些简单解释,广义相对论中的有关问题以后另做讨论。

 

Stern-Gerlach实验

该实验由SternGerlach1922年完成,被认为是支持量子力学的最为重要的一大实验证据,高等量子力学的第一课通常就是讲这个实验。Stern- Gerlach (SG)实验是一个双态系统,涉及经典力学概念最少。这个实验装置如下图,网上一搜就能看到很多版本。

stern-gerlach实验1.jpg

该实验将一束银原子自右向左通过在竖直方向(z方向)上梯度很大的不均匀磁场并打在左侧屏上发出荧光。银原子整体的角动量仅来自于它的一个电子的自旋角动量,而且银原子的质量足够大,其运动轨迹完全可以看作经典轨道。原子的磁矩和它的角动量成正比且方向相同。

在这个不均匀磁场中,原子会受到z方向上的力Fz=μzdB/dz。按照经典力学理论,由于这些银原子中磁矩分布在各个方向的原子占的比例都应该是一样的(原子足够多),那么实验应该是如图在左侧屏上显示一条竖线。然而,实验结果却揭示,屏上只有上下两个亮斑。

按照经典力学的观点,观测不会影响角动量(加不均匀磁场就是观测),那么因为发射出来原子的角动量分布是各向同性的,所以对于某个银原子,Sz可能是-S+S间的任何一个值。而竖直方向受力与Sz大小成正比,所以经典预言是屏上形成一条亮线,而不应该是两个亮点。

量子力学认为,这个结果是观测改变角动量所致,使得角动量的Sz分量量子化,只能取+S-S两个值。实验仪器的磁场对自旋角动量作了观测,导致角动量坍缩到了自旋向上或者自旋向下的态上,即Sz+Sz-。所有坍缩到了自旋向上的态的银原子都在磁场作用下向下运动,最终打在屏的下部形成一个亮斑;而所有坍缩到了自旋向下的态的银原子则都打在了屏的上部。

这个实验还有一个升级版本,即如下的多级Stern-Gerlach实验。

多级stern-gerlach实验.jpg

在上图的(a)实验中,实验者先将银原子通过磁场梯度在z方向(竖直方向)的SG实验仪器,那么如前文所述,原子束会分裂为上下两束。如果我们遮住自旋为下(Sz-)的那束,令自旋向上(Sz+)的原子束再通过一个磁场梯度为z方向的SG实验仪器,图中(a)实验的结果告诉我们,原子束只有Sz+一束了。但如果将在上图的实验中的第二级SG装置的磁场梯度改为在x方向,如图中(b)实验,那么自旋向上(Sz+)的原子束通过磁场梯度为x方向的SG实验仪器后,原子束再次分裂为Sx+Sx-两束,而且两束强度相等(也就是原子数目相等)。

如果我们再次遮住其中一束,只令另一束比如Sx+这一束通过第三级SG装置,如图中(c)所示,实验结果显示,这样的原子束流通过第三级z方向SG仪器后,再次得到了Sz+Sz-两束原子束流。

量子力学认为,多级SG装置意味着对x方向角动量的观测破坏了z方向角动量的状态信息,角动量的两个不同方向SzSx不能对易,因此角动量的两个不同方向SzSx不能同时确定。

上述解释有点神乎其神,玄而又玄。而实际情况是这仅仅是一个动力学问题。银原子最外层5s只有一个没配对的电子,它的旋量波函数是轴对称的,对称轴方向就是自旋方向。带电旋量就像一个小磁针,自旋方向总是与外磁场平行或相对的,外磁场只要无穷小的能量就能把自旋方向旋转到与磁场平行或相对的方向上来,所以一级SG实验结果是两个亮点,并非是玄妙的“角动量坍缩到了自旋向上或者自旋向下的态上”。至于上图中(b)(c)的实验结果,仅仅是后一级SG仪器的磁场把原来平行于z轴的旋量的对称轴旋转到了±x轴方向,也并非高深莫测的 “角动量的两个不同方向SzSx不能对易,因此角动量的两个不同方向SzSx不能同时确定”。

 

电子双缝干涉实验

 

在量子力学中,“电子双缝干涉实验”就是演示微观粒子的波粒二象性的实验,潘大师在一次做报告时也认真讲过的,用以证明微观粒子的奇妙性质。其实验原理如下图所示。

电子双缝干涉实验,jpg.jpeg

电子枪连续发射单个的电子,穿过有着两条缝隙的障碍物,这些电子最好打在用于观测的屏幕上,显示为亮点。在重复了很多次的这个过程之后,这个实验结果显示出了干涉现象,也就是说电子在运动过程中表现出了波的性质,它能够以波的形式同时穿过两条缝隙,并且与自己产生干涉现象。

为了搞明白电子在这个过程中的运动轨迹,研究人员在两个缝隙上都安装了能够观察电子的感应装置,这样我们就可以知道,电子到底是通过了哪一个缝隙。然后诡异的事情就发生了,当研究人员安装了感应装置之后,再次进行双缝实验时,他们惊奇的发现,电子的干涉条纹消失了,不管发射了多少个电子,它们都只表现出粒子性。而当研究人员移除了感应装置,电子的干涉条纹马上就又出现了!这个实验的结果让科学家非常困惑,为了保证电子的运行轨迹不被干扰,研究人员使用了摄像机来对电子进行观测,但其结果还是和以前一样。

这个实验的合理解释是,电子就是一个波动的场,并非是一个刚体球。费米子宏观地显示出粒子特性且满足Pauli不相容原理,应该是微弱的非线性作用的结果,这个非线性作用势可以通过测量电子质能关系式的精细结构来确认[3]。电子只是一个非常脆弱的微观客体,如果通过感应装置或摄像头来观察电子,这相当于给电子施加了一个很强的动力学作用,当然不是电子的独立行为了。这和SG装置测量银原子自旋是一个道理,并没有什么诡异之处。

 

光的粒子性

   光就是线性的电磁波,满足叠加原理,光的粒子性是一个被动结果。爱因斯坦的光电效应解释,普朗克的光量子假设应该是发光原子和分子的粒子性所决定的。原子分子的粒子结构决定了它们发射或吸收光能量只能是一份一份,因为粒子只能稳定地处于能量本征态上。而在能量本征态之间变化,是由狄拉克方程或薛定谔方程这种动力学方程机械决定的,这个过程在数学上是一个定解问题。量子纠缠中所说的复合态、叠加态、相干态等概念,数学上根本就不能存在,因为它们并不满足动力学方程,充其量能作为方程一个初值。

 

上帝粒子

大家都想做大事,因此名字也不怕起得大,这里起了个最大的,但这种傲慢的作法更容易做成最大的笑话。我们知道,微弱的电磁场给我们塑造了肉眼所见的世界,我们早早就认识了电场和磁场,并且有了Maxwell方程组。引力更加微弱,但我们还是随时感觉到重力的存在,以致于人人都有点恐高心理。希格斯场作为能够给所有粒子带来质量的场量,其作用力是最巨大的。但莫名其妙的是我们对此却毫无感觉,竟然需要花费上千亿元建设大型对撞机来寻找,只有上帝晓得那撞出来的是些什么东西。粒子标准模型引入那么多系数和场量来拟合实验数据,解释很小的现象,这也真是科学的突破了。

 

 

[1] 量子力学中的概念问题

[2] 贝尔不等式的物理意义

[3] 质能关系式的检验问题

 




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2 张学文 杨正瓴

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