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哥本哈根诠释的奇怪疏忽

已有 2362 次阅读 2022-3-8 14:01 |个人分类:量子力学|系统分类:科普集锦

一般我们建立科学理论的时候,会根据被研究的物理客体,建立相应的数学模型。模型与客体性质对应的概念和定义都必须明确,并在此基础上寻找各种量满足的数学规律,如各种方程等。比如牛顿定理,我们会定义质量,速度,加速度,位置,力等概念,然后寻找这些量变化的联系。概念和定义都必须清晰,足以充分表达其物理内涵,没有必要另外诠释。

但量子力学却不同。它虽然是一个跟牛顿力学一样基础的科学理论,其基本概念和基本方程的定义都不明确,需要诠释。比如,什么是量子?什么是测量?测量发生了什么?量子的波函数是什么?薛定谔方程是怎么回事?

非常奇怪的是,没有一本传统教科书明确定义什么是量子,只是介绍了普朗克的能量量子化假设。以致于后面出来一些奇怪的定义,比如有人把基本粒子定义为量子。

如果说,作为专门讨论量子的一门学科,忘掉了定义量子是一个疏忽的话,后面为了专门说清量子论是怎么回事的哥本哈根诠释,至少应该把其它的疑问解释清楚。

哥本哈根诠释最关键的叙述是关于波函数概率本性和测量的。我们先不说它仍然没有解释清楚,因为“如果你不对量子力学感到困惑,你就不了解量子力学”(玻尔),“我可以很肯定地说,没有人懂量子力学”(费曼)。要知道,量子力学的核心是薛定谔方程,而薛定谔方程是怎么回事,怎么得到的,似乎没有人关心。薛定谔从来没有解释过他怎么得到的那个方程的,也没有一本教科书介绍过薛定谔方程的物理意义是什么,只是说,那是一个波动方程。但薛定谔方程形式上并不是波动方程。在量子力学的理论框架中,薛定谔方程只能当成一个假定,因为没有更基本的理由。但是量子力学的基本假定中,一般并不包含薛定谔方程。

如果与牛顿方程(牛顿第二定律)对应,形式上,薛定谔方程看起来似乎描述了量子波函数随时间的变化。也就是说,如果我们知道了量子波的初始状态,用薛定谔方程可以计算出后来时刻量子的状态。但是我们从来不那么用薛定谔方程。我们从来不解波函数的初值演化问题。我们用薛定谔方程,是为了得到本征波函数和本征值。我们“解”薛定谔方程也不同于一般的解方程。它也不是一个方程。

显然薛定谔方程的奇怪之处很多,可是为什么哥本哈根诠释不讨论一下薛定谔方程,以及它的奇怪解法呢?

先是忽略了量子,然后跳过了产生波函数解的薛定谔方程,而直接解释薛定谔方程解出来的波函数是什么,是不是太随意,太意识流了?

量子论刚建立的时候,并不是一个系统的,有规划的过程,而是很多人不同想法的综合。每个人的出发点不一样。叫同一个名字,每个人心里想的也不一样。比如玻尔的量子化和普朗克的量子化不是一回事,他们俩的对应原理也不是一回事。爱因斯坦和普朗克对光子的理解不一样。薛定谔方程的成功是有目共睹的,而且一举解决了以前看起来无计可施的问题,比如氢原子能级问题。有了薛定谔方程,量子论才从解决一些分立问题,如黑体辐射,玻尔原子模型,发展到可以系统解释所有微观世界的物理问题,并给出定量结果。所以,薛定谔方程,才是量子论发展了几十年之后的核心成就,应该得到充分的关注和讨论。

然而奇怪的是,以诠释量子论为己任的哥本哈根诠释,所有版本里面都没有提到薛定谔方程,却都把薛定谔方程得到的波函数作为最重要的诠释对象。波函数的确需要诠释,因为它涉及量子是什么,也就是物质是什么的问题。哥本哈根学派对波函数的诠释并不令人信服,薛定谔本人和爱因斯坦都不认可。

量子力学应该是从波动角度出发,跟牛顿理论一样基础的理论,不应该有任何歧义神秘之处。一个崭新的理论,刚建立,就完全正确了,并且禁止后人修改,这是科学吗?

我们在前文中说过,薛定谔方程是一个抽象的方程,做了非相对论近似。方程里的波是理想波,延展到全空间,传播速度无穷大。正是这一抽象化和理想化,剥离了量子的物理细节,量子变成了抽象的波,量子态变化过程都变成了瞬时的,因此测量不需要时间,而是在全空间瞬时“坍缩”。




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