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量子化把‘粒子’变成‘波’

已有 6022 次阅读 2011-2-11 09:54 |个人分类:未分类|系统分类:科普集锦| 量子力学, 粒子, 量子场论, 量子化

    量子化把‘粒子’变成‘波’

    (物质波等概念也要‘名正言顺’(3))

 

    物理学在上世纪20年代建立了量子力学后,接着又在30年代开始建立量子场论。现在,量子力学和量子场论都是已得到许多实验事实验证过的完善理论,并且在科技上有很多方面的应用。

    把经典理论(即非量子理论,如牛顿力学理论、狭义和广义相对论力学理论等)转变为量子理论的过程叫‘量子化’。例如,量子力学可视为把牛顿力学理论量子化的产物,量子场论可视为把狭义相对论力学理论量子化的产物;而量子引力理论则应是把广义相对论力学理论量子化的产物,可是由于出现很多困难,量子引力理论尚未建成。

    ‘量子化’有很丰富的内容,由于要涉及到很多量子力学和量子场论的知识,本文不可能全面介绍,故只讨论‘量子化’的下述两点表现:

1、‘量子化’可使物质粒子出现‘波性’(实为‘场性’)。

2、‘量子化’使物理量(如动量、能量、电磁势等等)变为‘算符’。

这两条表现都需要解释,先看第2条。

    牛顿力学理论、狭义相对论力学理论都是以讨论质点力学为基础。在牛顿力学理论中,
现在来说明上述第1条‘量子化’的表现。实验事实告诉我们,微观粒子存在干涉现象,宛如波的干涉一样,这意味着‘量子化’可使物质粒子出现‘波性’,它实为

式(4)是薛定谔波动方程,它是把牛顿力学量子化的产物,式(5)是克莱因-高登波动方程,它是把狭义相对论力学量子化的产物。式(4,5)都是场方程,它们反映了‘量子化’可使物质粒子出现‘波性’。这里要注意,式(1,2)的关系只适用于质点,因之式(4,5)的关系也能只适用于质点。

    为什么‘量子化’可使物质粒子出现‘波性’?为什么‘量子化’会使物理量变为‘算符’?这是初学量子力学时常会出现的问题,也是人们常常争论的问题;在后续博文中我们将进行讨论。

 


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