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量子力學的概念范文1
人們通常把愛因斯坦與玻爾之間關于如何理解量子力學的爭論，看成是繼地心說與日心說之后科學史上最重要的爭論之一。就像地心說與日心說之爭改變了人們關于世界的整個認知圖景一樣，愛因斯坦與玻爾之間的爭論也蘊含著值得深入探討的對理論意義與概念變化的全新理解以及關于世界的不同看法。有趣的是，他們倆人雖然都對量子力學的早期發展做出了重要貢獻，但是，愛因斯坦在最早基于普朗克的量子概念提出并運用光量子概念成功地解釋了光電效應，以及運用能量量子化概念推導出固體比熱的量子論公式之后，卻從量子論的奠基者，變成了量子力學的最強烈的反對者，甚至是最尖銳的批評家。截然相反的是，玻爾在1913年同樣基于普朗克的量子概念提出了半經典半量子的氫原子模型之后，卻成為量子力學的哥本哈根解釋的奠基人。愛因斯坦對量子力學的反對，不是質疑其數學形式，而是對成為主流的量子力學的哥本哈根解釋深感不滿。這些不滿主要體現在愛因斯坦與玻爾就量子力學的基礎性問題展開的三次大論戰中。他們的第一次論戰是在1927年10月24日至29日在布魯塞爾召開的第五屆索爾未會議上進行的。這次會議由洛倫茲主持，其目的是為討論量子論的意義提供一個最高級的論壇。在這次會議上，愛因斯坦第一次聽到了玻爾的互補性觀點，并試圖通過分析理想實驗來駁倒玻爾—海森堡的解釋。這一次論戰以玻爾成功地捍衛了互補性詮釋的邏輯無矛盾性而結束；第二次大論戰是于1930年10月20日至25日在布魯塞爾召開并由朗子萬主持的第六屆索爾未會議上進行的。在這次會議上，關于量子力學的基礎問題仍然是許多與會代表所共同關心的主要論題。愛因斯坦繼續設計了一個“光子箱”的理想實驗，試圖從相對論來玻爾的解釋。但是，在這個理想實驗中，愛因斯坦求助于自己創立的相對論來反駁海森堡提出的不確定關系，反倒被玻爾發現他的論證本身包含了駁倒自己推論的關鍵因素而放棄。
當這兩個理想實驗都被玻爾駁倒之后，愛因斯坦雖然不再懷疑不確定關系的有效性和量子理論的內在自洽性。但是，他對整個理論的基礎是否堅實仍然缺乏信任。1931年之后，愛因斯坦對量子力學的哥本哈根解釋的質疑采取了新的態度：不是把理想實驗用作正面攻擊海森堡的不確定關系的武器，而是試圖通過設計思想實驗導出一個邏輯悖論，以證明哥本哈根解釋把波函數理解成是描述單個系統行為的觀點是不完備的，而不再是證明邏輯上的不一致。在這樣的思想主導下，第三次論戰的焦點就集中于論證量子力學是不完備的觀點。1935年發表的EPR論證的文章正是在這種背景下撰寫的。從寫作風格上來看，EPR論證既不是從實驗結果出發，也不再是完全借助于思想實驗來進行，而是把概念判據作為討論的邏輯前提。這樣，EPR論證就把討論量子力學是否完備的問題，轉化為討論量子力學能否滿足文章提供的概念判據的問題。由于這些概念判據事實上就是哲學假設，這就進一步把是否滿足概念判據的問題，推向了潛在地接受什么樣的哲學假設的問題。例如，EPR論證在文章的一開始就開門見山地指出：“對于一種物理理論的任何嚴肅的考查，都必須考慮到那個獨立于任何理論之外的客觀實在同理論所使用的物理概念之間的區別。這些概念是用來對應客觀實在的，我們利用它們來為自己描繪出實在的圖像。為了要判斷一種物理理論成功與否，我們不妨提出這樣兩個問題：（1）“這理論是正確的嗎？”（2）“這理論所作的描述是完備的嗎？”只有在對這兩個問題都具有肯定的答案時，這種理論的一些概念才可說是令人滿意的。”〔3〕從哲學意義上來看，這段開場白至少蘊含了兩層意思，其一，物理學家之所以能夠運用物理概念來描繪客觀實在，是因為物理概念是對客觀實在的表征，由這些表征描繪出的實在圖像，是可想象的。這是真理符合論的最基本的形式，也反映了經典實在論思想的核心內容；其二，如果一個理論是令人滿意的，當且僅當，這個理論既正確，又完備。那么，什么是正確的理論與完備的理論呢？EPR論證認為，理論的正確性是由理論的結論同人的經驗的符合程度來判斷的。只有通過經驗，我們才能對實在作出一些推斷，而在物理學里，這些經驗是采取實驗和量度的形式的。〔4〕也就是說，理論正確與否是根據實驗結果來判定的，正確的理論就是與實驗結果相吻合的理論。但文章接著申明說，就量子力學的情況而言，只討論完備性問題。言外之意是，量子力學是正確的，即與實驗相符合，但不一定是完備的。為了討論完備性問題，文章首先不加證論地給出了物理理論的完備性條件：如果一個物理理論是完備的，那么，物理實在的每一元素都必須在這個物理理論中有它的對應量。物理實在的元素必須通過實驗和量度來得到，而不能由先驗的哲學思考來確定?；谶@種考慮，他們又進一步提供了關于物理實在的判據：“要是對于一個體系沒有任何干擾，我們能夠確定地預測（即幾率等于1）一個物理量的值，那末對應于這一物理量，必定存在著一個物理實在的元素?！?/p>
文章認為，這個實在性判據盡管不可能包括所有認識物理實在的可能方法，但只要具備了所要求的條件，就至少向我們提供了這樣的一種方法。只要不把這個判據看成是實在的必要條件，而只看成是一個充足條件，那末這個判據同經典實在觀和量子力學的實在觀都是符合的。綜合起來，這兩個判據的意思是說，如果一個物理量能夠對應于一個物理實在的元素，那么，這個物理量就是實在的；如果一個物理理論的每一個物理量都能夠對應于物理實在的一個元素，那么，這個物理學理論就是完備的。然而，根據現有的量子力學的基本假設，當兩個物理量（比如，位置X與動量P）是不可對易的量（即，XP≠PX）時，我們就不可能同時準確地得到它們的值，即得到其中一個物理量的準確值，就會排除得到另一個物理量的準確值的可能，因為對后一個物理量的測量，會改變體系的狀態，破壞前者的值。這是海森堡的不確定關系所要求的。于是，他們得出了兩種選擇：要么，（1）由波動函數所提供的關于實在的量子力學的描述是不完備的；要么，（2）當對應于兩個物理量的算符不可對易時，這兩個物理量就不能同時是實在的。他們在進行了這樣的概念闡述之后，接著設想了曾經相互作用過的兩個系統分開之后的量子力學描述，然后，根據他們給定的判據，得出量子力學是不完備的結論。EPR論證發表不久，薛定諤在運用數學觀點分折了EPR論證之后，以著名的“薛定諤貓”的理想實驗為例，提出了一個不同于EPR論證，但卻支持EPR論證觀點的新的論證進路。出乎意料的是，愛因斯坦卻在1936年6月19日寫給薛定諤的一封信中透露說，EPR論文是經過他們三個人的共同討論之后，由于語言問題，由波多爾斯基執筆完成的，他本人對EPR的論證沒有充分表達出他自己的真實觀點表示不滿。從愛因斯坦在1948年撰寫的“量子力學與實在”一文來看，愛因斯坦對量子力學的不完備性的論證主要集中于量子理論的概率特征與非定域性問題。他認為，物理對象在時空中是獨立存在的，如果不做出這種區分，就不可能建立與檢驗物理學定律。因此，量子力學“很可能成為以后一種理論的一部分，就像幾何光學現在合并在波動光學里面一樣：相互關系仍然保持著，但其基礎將被一個包羅得更廣泛的基礎所加深或代替。”顯然，愛因斯坦后來對量子力學的不完備性問題的論證比EPR論證更具體、更明確。EPR論證中的思想實驗只是隱含了對非定域性的質疑，但沒有明朗化。但就論證問題的哲學前提而言，愛因斯坦與EPR論證基本上沒有實質性的區別。因此，本文下面只是從哲學意義上把EPR論證看成是基于經典物理學的概念體系來理解量子力學的一個例證來討論，而不準備專門闡述愛因斯坦本人的觀點。
二、玻爾的反駁與量子整體性
玻爾在EPR論證發表后不久很快就以與EPR論文同樣的題目也在《物理學評論》雜志上發表了反駁EPR論證的文章。玻爾在這篇文章中重申并升華了他的互補觀念。玻爾認為，EPR論證的實在性判據中所講的“不受任何方式干擾系統”的說法包含著一種本質上的含混不清，是建立在經典測量觀基礎上的一種理想的說法。因為在經典測量中，被測量的對象與測量儀器之間的相互作用通?？梢员缓雎圆挥?，測量結果或現象被無歧義地認為反映了對象的某一特性。但是，在量子測量系統中，不僅曾經相互作用過的兩個粒子，在空間上彼此分離開之后，仍然必須被看成是一個整體，而且，被測量的量子系統與測量儀器之間存在著不可避免的相互作用，這種相互作用將會在根本意義上影響量子對象的行為表現，成為獲得測量結果或實驗現象的一個基本條件，從而使人們不可能像經典測量那樣獨立于測量手段來談論原子現象。玻爾把量子現象對測量設置的這種依賴性稱為量子整體性（whole-ness）。
在玻爾看來，為了明確描述被測量的對象與測量儀器之間的相互作用，希望把對象與儀器分離開來的任何企圖，都會違反這種基本的整體性。這樣，在量子測量中，量子對象的行為失去了經典對象具有的那種自主性，即量子測量過程中所觀察到的量子對象的行為表現，既屬于量子對象，也屬于實驗設置，是兩者相互作用的結果。因此，在量子測量中，“觀察”的可能性問題變成了一個突出的認識論問題：我們不僅不能離開觀察條件來談論量子現象，而且，試圖明確地區分對象的自主行為以及對象與測量儀器之間的相互作用，不再是一件可能的事情。玻爾指出，“確實，在每一種實驗設置中，區分物理系統的測量儀器與研究客體的必要性，成為在對物理現象的經典描述與量子力學的描述之間的原則性區別?！薄?〕海森堡也曾指出，“在原子物理學中，不可能再有像經典物理學意義下的那種感知的客觀化可能性。放棄這種客觀化可能性的邏輯前提，是由于我們斷定，在觀察原子現象的時候，不應該忽略觀察行動所給予被觀察體系的那種干擾。對于我們日常生活中與之打交道的那些重大物體來說，觀察它們時所必然與之相連的很小一點干擾，自然起不了重要作用。”
另一方面，作用量子的發現，揭示了量子世界的不連續性。這種不連續性觀念的確立，又相應地導致了一系列值得思考的根本問題。首先，就經典概念的運用而言，一旦我們所使用的每一個概念或詞語，不再以連續性的觀念為基礎，它們就會成為意義不明確的概念或詞語。如果我們希望仍然使用這些概念來描述量子現象，那么，我們所付出的代價是，限制這些概念的使用范圍和精確度。對于完備地反映微觀物理實在的特性而言，描述現象所使用的經典概念是既相互排斥又相互補充的。這是玻爾的互補性觀念的精神所在。有鑒于此，玻爾認為，EPR論證根本不會影響量子力學描述的可靠性，反而是揭示了按照經典物理學中傳統的自然哲學觀點或經典實在論來闡述量子測量現象時存在的本質上的不適用性。他指出：“在所有考慮的這些現象中，我們所處理的不是那種以任意挑選物理實在的各種不同要素而同時犧牲其他要素為其特征的一種不完備的描述，而是那種對于本質上不同的一些實驗裝置和實驗步驟的合理區分；……事實上，在每一個實驗裝置中對于物理實在描述的這一個或那一個方面的放棄（這些方面的結合是經典物理學方法的特征，因而在此意義上它們可以被看作是彼此互補的），本質上取決于量子論領域中精確控制客體對測量儀器反作用的不可能性；這種反作用也就是指位置測量時的動量傳遞，以及動量測量時的位移。正是在這后一點上，量子力學和普通統計力學之間的任何對比都是在本質上不妥當的———不管這種對比對于理論的形式表示可能多么有用。事實上，在適于用來研究真正的量子現象的每一個實驗裝置中，我們不但必將涉及對于某些物理量的值的無知，而且還必將涉及無歧義地定義這些量的不可能性。”其次，就量子描述的可能性而言，玻爾認為，我們“位于”世界之中，不可能再像在經典物理學中那樣扮演“上帝之眼”的角色，站在世界之外或從“外部”來描述世界，不可能獲得作為一個整體的世界的知識。玻爾把這種描述的可能性與心理學和認知科學中對自我認識的可能性進行了類比。在心理學和認知科學中，知覺主體本身是進行自我意識的一部分這一事實，限制了對自我認識的純客觀描述的可能性。用玻爾形象化的比喻來說，在生活的舞臺上，我們既是演員，又是觀眾。因此，量子描述的客觀性位于理想化的純客觀描述與純主觀描述之間的某個地方。
為此，玻爾認為，物理學的任務不是發現自然界究竟是怎樣的，而是提供對自然界的描述。海森堡也曾指出，在原子物理學領域內，“我們又尖銳地碰到了一個最基本的真理，即在科學方面我們不是在同自然本身而是在同自然科學打交道?！睈垡蛩固箘t堅持認為，在科學中，我們應當關心自然界在干什么，物理學家的工作不是告訴人們關于自然界能說些什么。愛因斯坦的觀點是EPR論證所蘊含的。這兩種理論觀之間的分歧，事實上，不僅是有沒有必要考慮和闡述包括概念、儀器等認知中介的作用的分歧，而且是能否把量子力學納入到經典科學的思維方式當中的分歧。EPR論證以經典科學的方法論與認識論為前提，認為正確的科學理論理應是對自然界的正確反映，認知中介對測量結果不會產生實質性的影響；而玻爾與海森堡則以接受量子測量帶來的認識論教益為前提，認為量子力學已經失去了經典科學具有的那種概念與物理實在之間的一一對應關系，認知中介的設定成為人類認識微觀世界的基本前提。第三，就主體與客體的關系問題而言，EPR論證認為，認知主體與客體之間存在著明確的分界線。這意味著，所有的主體都能對客體進行同樣的描述，并且他們描述現象所用的概念與語言是無歧義的。無歧義意味著對概念或語言的意義的理解是一致的。而對于量子測量而言，對客體的描述包含了主體遵守的作為世界組成部分的描述條件的說明，從而顯現了一種新的主客體關系。為此，我們可以把主體與客體之間的關系劃分為三類：其一，能夠在主體與客體之間劃出分界線，所有的主體對客體的描述都是相同的，EPR論證屬于此類；其二，能夠在主體與客體之間劃出分界線，但主體對客體的描述是因人而異的，人們對藝術品的欣賞屬于此類；其三，不可能在主體與客體之間劃出分界線，主體對客體的描述包括了對測量條件的描述在內，玻爾對EPR論證的反駁屬于此類。顯然，EPR論證隱含的主客體關系與玻爾所理解的量子測量中的主客體關系之間存在著實質性的差別。EPR論證是沿襲了經典實在論的觀點，而玻爾的觀點代表了他基于量子力學的形式體系總結出來的某種新的認識。在這里，就像不能用歐幾里得幾何的時空觀來反對非歐幾何的時空觀一樣，我們也不能用經典意義上的理論觀反對量子意義上的理論觀。因此，可以說，物理學家關于如何理解量子力學問題的爭論，在很大程度上，蘊含了他們關于科學研究的哲學假設之間的爭論。
三、實驗的形而上學
EPR論證不僅引發了量子物理學家關于物理學基礎理論問題的哲學討論，而且還創立了“實驗的形而上學”，提供了物理學家如何基于形而上學的觀念之爭，最終探索出通過實驗檢驗其結論的一個典型案例。這一過程與尋找量子論的隱變量解釋的努力聯系在一起。量子力學的隱變量解釋的最早方案是德布羅意在1927年提出的“導波”理論。1932年，馮•諾意曼在他的《量子力學的數學基礎》一書中曾根據量子力學的概念體系提出了四個假設，并且證明，隱變量理論和他的第四個假設（即，可加性假設）相矛盾，認為通過設計隱變量的觀念來把量子理論置于決定論體系之中的任何企圖都注定是失敗的。馮•諾意曼的這一工作在為量子論的隱變量解釋判了死刑的同時，也極大地支持了量子力學的哥本哈根解釋。有意思的是，曾是量子力學的哥本哈根解釋的支持者與傳播者的玻姆，在1951年基于量子力學的哥本哈根精神出版了至今仍然有影響的《量子理論》一書，并在書的結尾，以EPR論證為基礎，提出了“量子理論同隱變量不相容的一個證明”之后，從1952年開始反而致力于從邏輯上為量子力學提供一種隱變量解釋的研究。
玻姆闡述隱變量理論的目標可以大致概括為兩個方面，一是試圖用能夠直覺想象的概念為量子概率和量子測量提供一種可理解的說明，證明為量子論提供一個決定論的基礎是可行的；二是希望從邏輯上表明，隱變量理論是有可能的，“不論這種理論是多么抽象和‘玄學’?！辈Ｄ返淖非箫@然是一種信念的支撐，而不是事實之使然。在這種信念的引導下，玻姆在1952年連續發表了兩篇闡述隱變量理論的文章，在這些文章中，他用經典方式定義波函數，假定微觀粒子像經典粒子一樣總是具有精確的位置和精確的動量，闡述了一種可能的量子論的隱變量解釋，最后，用一個粒子的兩個自旋分量代替EPR論證中的坐標與動量，討論了EPR論證的思想實驗，并運用量子場與量子勢概念解釋了測量一個粒子的位置影響第二個粒子的動量的原因。
貝爾在讀了玻姆的文章之后，認為有必要重新系統地研究量子力學的基本問題。貝爾試圖解決的矛盾是：如果馮•諾意曼的證明成立，那么，怎么會有可能建立一個邏輯上無矛盾的隱變量理論呢？為了搞明白問題，貝爾首先重新剖析了馮•諾意曼的關于隱變量的不可能性的證明和EPR論證中設想的思想實驗，然后，抓住了隱變量理論的共同本質，于1964年發表了“關于EPR悖論”的文章。在這篇文章中，貝爾引述了用自旋函數來表述EPR論證的玻姆說法，或者說，從EPR—玻姆的思想實驗出發，以轉動不變的獨立波函數描述組合系統的態，推導出一個不同于量子力學預言的、符合定域隱變量理論的關于自旋相關度的不等式，通常稱為貝爾不等式或貝爾定理，然后，用歸謬法了量子力學的預言和貝爾不等式相符的可能性，說明任何定域的隱變量理論，不論它的變數的本性是什么，都在某些參數上同量子力學相矛盾。貝爾還假設，如果所進行的兩個測量在空間上彼此相距甚遠，那么，沿著一個磁場方向的測量，將不會影響到另一個測量結果。貝爾把這個假設稱為“定域性假設”。從這個假設出發，貝爾指出，如果我們可以從第一個測量結果預言第二個測量結果，測量可以沿著任何一個坐標軸來進行，那么，測量的結果一定是已經預先確定了的。但是，由于波函數不對這種預先確定的量提供任何描述，所以，這種預定的結果一定是通過決定論的隱變量來獲得的。貝爾后來申明說，他在“關于EPR悖論”一文中假設的是定域性，而不是決定論，決定論是一種推斷，不是一個假設，或者說，貝爾的這篇文章是從定域性推論出決定論，而不是開始于決定論的隱變量。從邏輯前提上來看，貝爾的假設更接近于愛因斯坦的假設，他們都把“定域性條件”看成是比“決定論前提”更基本的概念。因此，貝爾的工作比馮•諾意曼和玻姆的工作更進一步地推進了關于量子力學的根本特征的理解。貝爾的這篇文章具有劃時代的意義。它不僅成為20世紀下半葉物理學與哲學研究中引用率最高的文獻之一，而且為進一步設計具體的實驗來澄清量子力學的內在本性邁出了決定性的一步。粒子物理學家斯塔普（HenryStapp）甚至把貝爾定理的提出說成是“意義最深遠的科學發現。”
同EPR論證一樣，貝爾的這一發現也不是從實驗中總結出來的，而是基于哲學信念的邏輯推理的結果。此后，量子物理學界進一步推廣貝爾定理的理論研究與具體實驗方案的探索工作并行不悖地開展起來。而這些工作都與EPR論證相關。就實驗進展而言，物理學界承認，阿斯佩克特等人于1982年關于“實現EPR-玻姆思想實驗”的實驗結果，支持了量子力學，針對這樣的實驗結果，貝爾指出：“依我看，首先，人們必定說，這些結果是所預料到的。因為它們與量子力學預示相一致。量子力學畢竟是科學的一個極有成就的科學分支，很難相信它可能是錯誤的。盡管如此，人們還是認為，我也認為值得做這種非常具體的實驗。這種實驗把量子力學最奇特的一個特征分離了出來。原先，我們只是信賴于旁證。量子力學從沒有錯過。但現在我們知道了，即使在這些非常苛刻的條件下，它也不會錯的。”
雖然EPR論證的初衷是希望證明量子力學是不完備的，還沒有提出量子測量的非定域性概念，但是，物理學家則通常運用EPR思想實驗的術語來討論非定域性問題。經過40多年的發展，具體的實驗結果使EPR論證失去了對量子力學的挑戰性。一方面，這些實驗證實了非定域性是所有量子論的一個基本屬性，要求把在同一個物理過程中生成的兩個相關粒子永遠當作一個整體來對待，不能分解為兩個獨立的個體，其中，一個粒子發生任何變化，另一個粒子必定同時發生相應的變化，這種相互影響與它們的空間距離無關；另一方面，這些實驗也表明了EPR論證提供的哲學假設不再是判斷量子力學是否完備的有效前提，而是反過來提醒我們需要重新思考玻爾在反駁EPR論證的觀點中所蘊含的哲學啟迪?？偠灾?，EPR論證盡管是基于哲學假設，運用思想實驗，來駁斥量子力學的完備性，但在客觀上，物理學家圍繞這一論證的討論，最終在思想實驗的基礎上出乎意料地發展出可以具體操作的實驗方案，并且獲得了有效的實驗結果。這一段歷史發展不僅證明，無論在哲學假設的問題上，還是在物理概念的意義理解的問題上，量子力學都不是對經典物理學的補充和擴展，是一個蘊含有新的哲學假設的理論。正是在這種意義上，物理學家玻恩得出了“理論物理學是真正的哲學”的斷言。
四、認識論的思維方式
如前所述，EPR論證—玻姆—貝爾這條發展主線是把對物理學問題鑲嵌在哲學信念中進行思考的。這一歷史片斷揭示出，基于哲學信念的邏輯推理在物理學的理論研究與實驗研究中起到了積極的認知作用。一方面，在這些探索方式中，不論是EPR論證的真理符合論假設，玻姆的決定論假設，還是貝爾的定域性假設，它們的初衷都是希望能夠把量子力學納入到經典物理學的概念框架或哲學信念之中。另一方面，檢驗貝爾不等式的物理學實驗結果對量子力學的支持和對貝爾不等式的違背意味著，我們不應該依舊固守經典物理學的哲學假設來質疑量子力學，而是應該顛倒過來，積極主動地揭示量子力學蘊含的哲學思想，以進一步明確經典物理學的哲學假設的適用范圍。
但是，這種視域的逆轉不是簡單地倡導用量子力學的哲學假設取代經典物理學的哲學假設，也不是武斷地主張用玻爾的理論觀替代EPR論證所蘊含的理論觀，而是提倡擺脫習以為常的自然哲學的思維方式，確立認識論的思維方式。自然哲學的思維方式是一種本體論化的思維方式。這種思維方式是從古希臘延續下來的，追求概念與實在之間的直接的一一對應關系，忽視或缺乏對認知過程中不可避免的認知中介和理論框架的考慮。從起源上來講，這種無視認知中介的本體論化的思維方式，源于常識，是對常識的一種延伸外推與精致化。近代自然科學的發展進一步強化與鞏固了這種思維方式。EPR論證也是基于這種思維方式使經典科學蘊含的哲學假設以具體化的判據形式呈現出來。然而，與過去的物理學理論所不同的是。量子力學不再是關于可存在量（beable）的理論，而是關于可觀察量（observable）的理論，“是理論決定我們的觀察內容”這一句話，既是愛因斯坦創立相對論的感想，也為海森堡提出不確定關系提供了觀念啟迪。就理論形式而言，量子力學的理論描述用的是數學語言，而不是日常語言。用數學語言描述的微觀世界是一個多位空間的世界，而我們作為人類，很難直觀地想象這樣的世界，更不可能直接“進入”這個世界來“觀看”一切。人類感知的這種局限性是原則性的，從而限制了我們對微觀世界的知識的全面獲得。用玻爾的話來說，我們對一個微觀對象的最大限度的知識不可能從單個實驗中獲得，而只能從既相互排斥又相互補充的實驗安排中獲得。用玻恩的話來說，在量子測量中，觀察與測量并不是指自然現象本身，而是一種投影。
量子力學的概念范文2
無論是對于大學生還是研究生，量子力學都是一門最基本的課程。它以極其驚人的精確程度解釋微觀世界的各種現象，對它的深刻理解和廣泛應用，產生了給我們的世界帶來革命變革的各種高新技術。量子力學語言今日已經成為物理學家們日常必不可少的重要交流工具。然而，絕大多數物理學家都深知，對于量子力學基礎的理解存在著難以克服的困難，甚至使人們產生了這樣一種印象，即該理論迄今仍然缺少真正令人滿意并信服的理論形式。
許多量子力學教科書闡述量子力學的理論形式，并將其用來理解原子、分子、流體和固體的性質，處理輻射與物質的相互作用，使我們對于周圍的物理世界有更深刻的理解。還有一些教科書闡明這一學科的發展歷史，指出量子力學經歷了哪些步驟才達到了現代形式。
本書對為避免由正統解釋量子力學概念的困難而找出的各種替代形式，給出了清晰而客觀的闡述，仔細地介紹了各種解釋的邏輯性和自洽性。作者力求全面和寬泛地評述對于量子力學中許多看似難以解釋、哲學上矛盾和違反直覺的奇妙行為，從而使讀者對于我們當前對該理論的理解有更全面的認識。
全書共分成11章：1.歷史回顧；2.目前狀況，剩余的概念困難； 3.愛因斯坦、波多爾斯基和羅森定理；4.Bell定理； 5.更多的定理；6.量子糾纏； 7.量子糾纏的應用；8.量子測量； 9.實驗：在真實時間看到的量子扁縮； 10.各種各樣的解釋； 11.附：量子力學的基本數學工具。書末還有11個附錄，對于正文內容做出一些數學與物理的延伸和補充。
本書作者長期從事量子力學的教學與研究，他與Claude CohenTannoudji 及Bernard Diu 合作撰寫的《量子力學》（Quantum Mechanics）是一部非常著名的教科書，在世界范圍內有深遠的影響。他在本書中探索了量子力學與生俱來的基本問題和困難，描述并比較了各種各樣的解釋，討論了這些解釋的成功之處和依然存在的問題。對于那些想要知道量子力學所面對的問題的更多細節但又不具備該學科專門知識的物理和數學的研究人員，本書是理想的參考書；而對于那些對量子物理及其奇特行為感興趣的科學哲學家也應該很有吸引力；對于想要更進一步鉆研量子力學的物理系和科學哲學系的大學生和研究生以及希望擴大自己量子力學知識的理論物理學家，本書提供了難得的和非常有參考價值的豐富資源。
量子力學的概念范文3
量子力學的建立始于對原子物理實驗給出解釋，其基本概念是從上世紀20年展起來的，并于30年代和40年代取得了快速而巨大的進展。特別是對全同粒子體系的深入研究最終導致現代基本粒子概念的誕生和量子場論的突破性進展，促進了人們對于宇宙的深刻理解。從更為實用的方面講，量子力學理論體系的建立特別為固體物理與凝聚態物理的發展奠定了基礎，它的廣泛應用導致了在不同領域大量豐富多彩的人造量子系統的出現。尤其是近20年來，各種類型的納米尺度的量子設備被成功地制造出來，它們在處理量子信息和制備納米電路等高新技術方面具有引人注目的應用前景，從而受到廣泛的關注。大多數學生希望了解量子力學理論應用于解決現實生活中的問題的解決方案。他們對于深入理解各種實用領域的量子理論基礎方面的濃厚興趣，遠大于對現代超弦理論和宇宙學的或所謂的終極理論的興趣。本書所針對的主要對象正是這類學生，作者期望將學生們的這些實際需求作為高等量子力學課程所涵蓋的主要內容。
本書是作者在荷蘭代爾夫特理工大學（Delft University of Technology）講授高等量子力學課程內容的基礎上撰寫的。這所大學是研究諸如半導體量子點、超導量子計算設備、分子電子學等量子力學應用方面世界一流的中心之一。學校開設的很多理論課都是圍繞更有效地支持這類研究而設計的。其中的高等量子力學作為研究生的必修理論課就是典型的代表。本書在開始仍然對初等量子力學做了簡明扼要的介紹，然后很快將重點轉移到應用這些理論來理解量子設備的實質性內容上來。作者力求使本書在理論技巧和數學知識方面的基礎更加扎實，只要涉及到理論工具，一定會給出一些如何使用這些工具的實例。這些實例取自許多不同的領域，使得本書適應更為寬泛的讀者群，特別是那些非粒子物理專業的學生。
全書內容分成5個部分，共計13章：第1部分 二次量子化，含第1-3章：1.初等量子力學；2.全同粒子；3.二次量子化。第2部分 例子，含第4-6章： 4.磁性； 5.超導； 6.超流。第3部分 場與輻射，含第7-10章：7.經典場； 8.場的量子化；9.輻射與物質； 10.相干態。 第4部分 耗散量子系統，含第11-12章：11.耗散量子力學；12.躍遷和耗散。第5部分 相對論量子力學，含第13章：13.相對論量子力學。
作為一部教科書，本書充分考慮了教學需要，敘述清晰、透徹，推導詳盡。每一小節都有一些“控制問題”，幫助理解課文內容，并可用于課堂討論。每一章末都給出了一些練習題，其中部分題目給出了詳細解答。本書重點突出，特別適合于凝聚態物理相關專業的研究生選做高等量子力學的教材。
量子力學的概念范文4
關鍵詞：量子力學；現代物理；地方應用型高校
筆者于1997年畢業于衡陽師范高等?？茖W校物理教育專業，那時用的是專科學校自編的量子力學教材，內容較簡化，學習起來較吃力；2005年進入湖南師大讀研后，又學習了高等量子力學，許多東西似懂非懂；2016年開始向本科生講授量子力學課程，也只有在這時候，才懂得了困惑自己多年的一些問題。從這個歷程中，可見學好量子力學這門課程是多么難。
一、教學指導思想
正因為這門課程很難學，所以不能期望太高，何況在生源較差的地方應用型高校。與此同時，教師要以人才市場需求和學術發展為雙重依據，保持學科體系的完整性，把量子力學教好。對于若干個學生中的精英，要使其受到完整的課程體系訓練，培養物理學科的領頭雁；而對于其他學生，則通過教學方式和考核方式的多樣性，讓其順利通過這些理論性較強的課程考核，培養物理文化的傳播者。
筆者采用的教學方式以傳統講授法為主，PPT用得很少。因為這門課程必須經過數學演算和推導，才能對量子世界有所理解。不要求學生步步推導，但教師至少要去一步一步地算，給學生留下深刻的印象，讓學生知道，做學問是老老實實地工作。每章結束后，設置一個小測試，題目來自上課時講的一些重點概念、符號、規律以及一些簡單的公式推導。這樣可以保證學生能從書本里查找答案，掌握基本知識。
二、正確看待學生的學習狀況
學生的學習狀況也如所預料的一樣，認真聽的只有幾個有考研意愿的人，其他人幾乎是以玩手機來消磨時間。小測試的時候，總有十多人先不做，坐等別人的答案。筆者認為，教育不能指望人人都會成為精英，能成為“欲栽大樹柱長天”的人只需幾個即可。同一個專業里，也需要各種層次的人才，如理論計算、實驗操作、知識傳播、人際協調，等等。量子力學教師需要關注學生的聽課狀態，以人人能學會為原則（教育機會均等），隨時調整自己的教學策略；同時也要牢記自己的使命，把量子力學的靈魂傳播到位，把它的科學精神傳播到位。
三、量子力學的魂與精神
量子力學的魂是：微觀粒子的運動狀態是不確定的，只能用概率波去描述；微觀粒子的運動能量不是連續的，而是離散的；測量微觀粒子的力學量時得不到確定值，只能得到系列的可能值及其出現的概率，但它們的統計值是確定的，即得到的宏觀量；量子力學里的微觀粒子不一定是電子質子等實物粒子，還可能是經過一次量子化和二次量子化后的某種運動單元，如電磁場光子、諧振子粒子。量子力學的精神是：科學研究是一件嚴肅的事情，必需老老實實地演算和推導，來不得半點投機取巧。
四、教學心得體會
1.量子力學的研究對象。量子力學是研究微觀粒子的運動，但是課本開始介紹的黑體輻射卻是能觀察到的宏觀現象，這該怎樣理解？一是將空窖里的輻射場當成大量微觀粒子組成的系統，它們服從Bose-Einstein分布l=ωl/（eβεl-1），只是它們不是有原子分子結構的實物粒子罷了。二是認為這些粒子的能量是量子化的εl=ω，不再是宏觀的連續能量了。這樣一來，物體的輻射就是發射和吸收微觀粒子的過程了。
2.二次量子化。把輻射場處理成能量量子化的大量微觀粒子，把原點附近做振動的原子或分子處理成能量量子化的線性諧振子等就是一次量子化。最簡單的二次量子化就是體現在對線性諧振子的處理上。線性諧振子的能級是分立的，En=ω（n+1/2），τΦ謀菊魈為Ψn。由于相鄰能級上的本征態具有遞推關系，即由Ψn可以推出Ψn-1或Ψn+1這時又把態Ψn看成是由n個粒子組成的系統，每個粒子具有能量E=ω，這樣一來，遞推關系里的算符就可以看成產生算符和湮滅算符了。
3.不確定性。這點和統計力學有某種相似性。統計力學并不知道微觀粒子確定的運動狀態，所以只好假定每種微觀運動狀態出現的概率相等，即等概率原理。這樣一來，就可以理解測量微觀粒子的力學量時，得不出確定值的原因，只能得出一系列的可能值以及這些可能值出現的概率。同樣，描述粒子的運動狀態也只能用概率波來描述了。
量子力學的概念范文5
【關鍵詞】密度算符 壓縮相干態 正規乘積
【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）10-0161-02
一、引言
量子力學是在19世紀末20世紀初建立和發展起來的一門科學，它的建立是20世紀劃時代的成就之一。量子力學與我們的生活密切相關，可以毫不夸張的說，沒有量子力學，就沒有人類的現代物質文明。量子力學規律已成功地運用于包括材料、化學、生命、信息和制藥等領域，對于物理專業的本科生來說，量子力學是物理學專業最重要的基礎課程之一，它是學習固體物理、材料科學、材料物理與化學、激光原理、激光物理與技術等專業課程的重要基礎[1，2]。通過量子力學的學習，使得學生能夠熟練地掌握量子力學的基本理論，具備利用量子力學基本理論分析和解決問題的能力。在物理學課程當中，量子力學的教學既是重點又是難點。
相干態[3，4]作為量子力學中的一個核心概念，不僅是量子物理學中的一個有效方法，而且是激光理論的重要支柱，對了解量子力學理論具有重要的意義，在教學和科研中都具有基礎性的作用。相干態的概念最初是薛定諤在1926年提出的[3]，對于諧振子位勢，他找到了這樣的態。直到1963年格勞伯等人系統地建立起光子相干態，并研究它的相干性與非經典性，同時又證明相干態是諧振子湮滅算符的本征態[4]?，F在相干態已被廣泛地應用于物理學的各個領域。實際上，相干態是最小測不準態，而且兩個正交位相振幅算符有著相同的起伏，在相空間中，相干態的起伏呈圓形，相干態在相空間平移或者轉動時此圓保持不變。對于壓縮態而言，它是泛指一個正交相位振幅算符的起伏比相干態相應分量的起伏小的量子態，其代價是另一個正交相位振幅算符的起伏增大，但兩者的乘積等同于相干態的相應量。壓縮態是一類非經典光場，呈現出非經典性質，例如反聚束效應、亞泊松分布等. 壓縮態由于其在光通訊、高精度干涉測量以及微弱信號檢測方面具有廣泛的應用前景使得對它的研究成為量子力學領域的研究熱點。
理論上，產生壓縮相干態的方式主要有對真空態先平移后壓縮（第一類壓縮相干態）和先壓縮后平移（第二類壓縮相干態）兩種方式，鑒于很多教材上認為這兩種方式產生的壓縮相干態完全等同，考慮到壓縮算符與平移算符的不對易，而且各量子力學教科書上每提及這兩種壓縮態的區別時闡述都比較模糊，不能向廣大讀者提供一個清晰的結論，又考慮到密度算符包含了某一個量子態的全部信息，所以有必要推導出這兩種壓縮相干態的密度算符并做分析比較，以闡明二者的異同。
二、第一類壓縮相干態
對比式（10）和（14）可知，由于產生壓縮相干態的方式不同，壓縮算符和平移算符之間不對易，得出的兩類壓縮相干態密度算符也有差異，并不是之前一些教科書里闡述的二者是完全等同的。
量子力學的概念范文6
1、通常所說的平行世界,一般是指在我們的世界之外還可能存在的與我們所認知的世界類似的其他世界。平行世界，兩個平行世界相遇之時，有的人會突然出現，有的人會永遠離開，有的人會找到真愛。時空的裂縫，平行的世界，可怕的時間。害怕去愛，只因為沒有未來。
2、平行世界的概念，并不是因為時間旅行悖論提出來的，它是來自量子力學，因為量子力學有一個不確定性，就是量子的不確定性。平行世界概念的提出，得益于現代量子力學的科學發現。
（來源：文章屋網 ）
