OurSci Magazine, 2002.11.23 Vol 2, No. 17

三思科学杂志
《三思科学》电子杂志
2002年第11期  总第17期
2002年11月23日


目　　录
封面

封面故事
[江华]发育、线虫、凋亡

新闻
[三思新闻编辑]11月份科学新闻
　├ 量子比特的反面
　├ 寻找二氧化碳的新倾倒场
　├ 分子马达有了开关
　├ 从珊瑚礁中追寻气候变化
　├ 西雅图面临海啸威胁
　├ 除草剂使蛙类雌雄同体
　├ 缺少金属的恒星
　├ 丙肝患者的新希望
　├ 世界10大健康杀手
　├ 拿破仑死于胃癌
　├ 银河系中心的黑洞在挨饿
　├ 钚也是超导体
　├ 没有心情，就不会胖
　└ 可怕的东西有助于记忆

求知
[九歌]鸟类漫话--攀禽(一)
[九歌]生物色趣谈
[叶平安]感冒，意味着什么
[逍遥]终极巫术--疯牛病小传(三)
[文木]手性之谜--左还是右(一)
　　 (二)、(三)
[李淼]弦论通俗演义(二十四)
　　 (二十五)、(二十六)

译述
[J.Bice]神创论者的圣战
[M.Shermer]痴迷于磁力
[T.Reichhardt]在这个世界之外
[J.Lee]白色瘟疫--结核病

博物
[九歌]戴胜
[佳肴]三角龙

故事
[李淼]Sokal事件和Bogdanov
　　 兄弟事件(上)

观点
[赵南元]基因噩梦乃人为编造
[方舟子]中国科学普及面临的挑战


历史
[高山]量子(三)--正统观点
[方舟子]凯特威尔的蛾子

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历史
正统观点
《量子》历史之旅(三)

作者 高山


　　人们通过经验和猜测的方法建立了量子理论，这是科学的幸运，但也因此导致了这个理论的异常神秘和不可捉摸，人们需要进一步理解它的真实含义。在量子力学建立之后，它的缔造者们便忙于弄清楚这个理论的含义，他们尤其想知道理论与经验之间的联系，以及理论本身是否具有一致性等等。正是对这些问题的思索和解决产生了关于量子力学的正统观点，由于这些观点主要是由当时在哥本哈根工作的物理学家，包括玻尔、海森伯、泡利、狄拉克等人所提出，因此也被称为量子力学的哥本哈根解释。

　　下述简短的对话可以帮助我们了解正统观点的概要。

　　问：量子力学中的波函数是一种什么波？
　　答：它是一种几率波，代表着通过实验测量所获得的所有可能结果的几率情况。
　　问：在量子力学中如何谈论粒子的运动？
　　答：我们不能同时谈论粒子的位置和速度，它们受不确定关系的限制。
　　问：那么粒子究竟是怎样运动的？
　　答：这个问题没有意义。我们只能提供互补性的描述，而且这种描述与实验有关。


它是几率波

　　“粒子的运动遵循几率定律，而几率本身则按因果律传播。”
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——玻恩，1926年

 　　面对神秘的波函数，玻恩首先发现了它与经验之间的微妙联系。玻恩认为，波函数只是一种存在于数学空间中的几率波，而不是如它的发现者——薛定谔所认为的那样，是存在于真实空间中的物质波。

Born

玻恩
　　尽管玻恩是矩阵力学的共同创建人之一，但是他却对薛定谔的波动力学情有独钟，并相信这一理论是量子规律更深刻的表达形式。然而，玻恩并未附和薛定谔的经典波解释，他的同事弗兰克关于原子和分子碰撞的实验使他确信粒子图像不能被简单地抛弃，相反，必须找到使粒子和波相调和的方法。这时，爱因斯坦关于“鬼波”的想法启发了他，使他认识到通过几率途径可以将粒子与波合理地联系起来。

　　1926年6月，玻恩在一篇关于粒子散射问题的文章中首次提出了量子力学的几率波解释。为了说明波函数如何与粒子联系起来，玻恩着手利用薛定谔方程来解决量子理论中的稳定散射问题。在此过程中他认识到，散射波振幅的平方可以看作是散射粒子偏转通过空间区域的几率。于是玻恩发现，波函数绝对值的平方将代表在空间某区域中发现粒子的几率，即波函数是一种几率波而非真实的波。玻恩后来回忆这一发现时说，“爱因斯坦的观念又一次引导了我。他曾经把光波的振幅解释为光子出现的几率密度，从而使粒子和波的二象性成为可以理解的。这个观念马上可以推广到波函数Ψ上：|Ψ|2必须是电子（或其它粒子）出现的几率密度”。

氢原子

氢原子中电子的几率密度图

　　玻恩的几率波解释第一次把几率概念引进基础物理学，“粒子的运动遵循几率定律，而几率本身按因果律传播”。这里，几率的出现并不是由观察者的无知或理论本身的无能所导致的，而必须看作是自然本身的一种本质特征。于是，量子力学一般只预言一个事件的几率，而对这个事件的发生不作任何决定论的断言。这是一次极不寻常的思想冒险，它向人们展示了一个潜在的、不确定的量子世界，在这个世界中代表几率的波函数主宰着一切。

　　1954年，玻恩“由于量子力学方面的基础研究工作，特别是对波函数的统计解释”获得了诺贝尔物理学奖。


插曲：但是你肯定必须理解

　　薛定谔：“要是必须承认这该死的量子跃迁，我真后悔卷入到量子理论中来。”
　　玻尔：“但是，我们大家却全都感谢你，你的波动力学代表了一次巨大的进步。”
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——1926年10月，哥本哈根

 　　

　　1926年9月，玻尔邀请薛定谔到哥本哈根讲学，以便就量子力学的解释问题交换意见。薛定谔坚持物理过程的连续性，而玻尔则确信非连续量子跃迁的存在，于是，他们之间的激烈争论便不可避免。

　　海森伯后来回忆说，“玻尔和薛定谔之间的辩论，在哥本哈根火车站就开始了，而且后来每天从清晨继续到深夜。薛定谔是在玻尔家中下榻的，而这就使得他们之间的讨论几乎是永不间断的。而且，尽管玻尔在别的方面和人相处时是最体谅人和最和蔼可亲的，但是这一回我却觉得他是一个寸土不让的狂热者，他不准备向他的对手做出任何妥协，也不准备容忍最小的含糊性。简直难以形容双方展开辩论时的那种感情的强烈程度，也难以形容在他们的每一句话中人们可以觉察出来的那些根深蒂固的信念……”

　　“辩论就这样夜以继日地进行了若干个小时而没有达成任何一致的意见。过了两天，薛定谔生病了，……不得不卧床休息。玻尔夫人照料他，给他端茶送水，而玻尔则坐在床边，并且认真地对薛定谔说：‘但是你肯定必须理解……’”


不能同时谈论电子的位置和速度

　　“粒子的位置测定得越精确，它的动量就知道得越不精确，反之亦然。”
　　　　　　　　　　　　　　　　　　——海森伯，1927年

 　　尽管量子理论与经验之间的联系被玻恩的几率波解释初步地确立了，但是关于量子理论本身的一致性，以及它与经典理论之间的关系问题却还没有得到彻底解决。电子究竟是粒子还是波呢？当我们对它进行这样或那样的测量时，它的表现又是怎样的呢？

玻尔与海森伯

玻尔与海森伯在讨论
　　薛定谔离开哥本哈根后，玻尔和海森伯继续深入地讨论了这些问题。在他们看来，电子有时象粒子，有时象波的表现仍然是一个严重的亟需解决的佯谬。“就象一位从某种溶液中一点一点地浓缩他的毒物的化学家那样”，海森伯和玻尔不断尝试着“浓缩这种佯谬的毒性”，他们渴望知道大自然是怎样避免矛盾的。夜以继日的讨论，以及彼此之间的意见不一使他们都彻底累坏了。1927年2月中旬，玻尔决定到挪威去滑雪，好让彼此的精神都放松一下。这个决定很快被证明是十分明智的，因为不久之后，海森伯便发现了不确定关系，而玻尔也在挪威大峡谷“找到”了互补原理。

　　独自留在哥本哈根的海森伯现在可以让自己的思想和灵感自由地涌动了。他回想起前一年春天爱因斯坦和他在柏林的谈话，爱因斯坦曾经说过，“正是理论决定什么是可以观测的”。海森伯意识到，也许问题的答案就在这句话中。他向自己问道，如果只有量子力学所描述的那些情况才能在自然界中找到，那么，当人们既想知道一个波包的速度又想知道它的位置时，所能获得的最佳准确度是怎样的呢？正是通过对这个问题的回答，海森伯“遇见”了不确定关系。

　　海森伯发现，量子力学对基于经典力学的那些物理概念，如位置和速度，施加了一种应用限制。人们不再能同时谈论电子的位置和速度，因为它们不能以任意精度被同时测定，并且这两个量的不确定度的乘积将大于普朗克常数除以粒子的质量。这一关系后来被称为海森伯不确定关系。有趣的是，泡利在1926年10月致海森伯的信中曾预先给出了一个更通俗的陈述，他说，“一个人可以用p眼来看世界，也可以用q眼来看世界，但是当他睁开双眼时，他就会头昏眼花了[1]。”

　　根据海森伯的看法，利用量子力学中的波函数所表示的电子态不允许人们赋予电子以确定的性质，如位置、动量等等。人们所能做的仅仅是谈论几率，即在适当的实验条件下于某个位置找到电子的几率，或发现电子的速度为某一值的几率。

　　然而，喜欢刨根问底的读者仍然会忍不住问，“如果电子的位置和动量不能同时被精确测定，那么电子到底有没有确定的位置和动量呢？”可惜的是，这个问题对海森伯来说没有意义，因为在观察至上思想的影响下，他并不关心电子的运动形式究竟是怎样的，甚至也不关心观察对电子运动所产生的具体影响。正如他在阐述不确定关系的著名论文的开头所言，“如果人们要弄明白‘一个物体的位置’，例如一个电子的位置这个说法是什么意思，就必须指定一个用以测量‘电子位置’的实验，否则这个说法就没有任何意义。”但是，对于很多“实在”的物理学家（包括爱因斯坦）和普通读者来说，这个问题却是有意义的。那么答案在哪里呢？也许本书后面将要讨论的量子运动会给你一定的启迪。


粒子和波是互补的

　　“一些经典概念的任何一种确定的应用，都会预先排除另外一些经典概念的同时应用，而这另外一些概念在其他方面却是阐明现象所同样必需的。”
　　　　　　　　　　　　　　　——玻尔，1929年

 　　海森伯更关心包含非连续性的粒子图像，而玻尔认为粒子图像和波图像都是必不可少的，并且他一直想将量子理论的这两根支柱弄得同样地牢固。于是，当玻尔独自在挪威古布朗兹峡谷滑雪时，他终于把握了已在他心中酝酿许久的互补性思想。

　　玻尔认为，对微观现象的说明必须利用互补性思想，粒子图像和波动图像是对同一个微观客体的两种互补描述。具体地说，用不同实验装置得到的关于微观客体的资料可以详尽无疑地概括关于微观客体的一切可设想的知识，但是，当企图把这些资料结合成单独一种图像时它们却显得是相互矛盾的。于是，任何一幅单独的经典实在图像，如粒子或波，都无法提供关于微观现象的详尽说明，人们只能用互补的经典图像来提供这种完备的说明。如果单独使用粒子图像或波动图像，它们的应用必将受到限制，这种限制由海森伯的不确定关系所精确表征。

玻尔的互补思想

玻尔的互补板凳

　　1927年9月，在意大利科摩举行的纪念伏打逝世一百周年的国际物理学会议上，玻尔首次公开阐述了他的互补性思想。同年10月，在布鲁塞尔召开的第五届索尔维会议上，互补性思想开始被大多数物理学家所赞同和接受。玻尔的挚友艾伦菲斯特后来回忆说，“玻尔完全超越了每一个人，他起初根本没有被理解，……然后就一步一步地击败了每一个人。”


插曲：谁坍缩了波函数？

　 　　狄拉克：“自然将随意选择它喜欢的一个分支，因为量子力学理论给出的唯一信息只是选择任一分支的几率。”
　　玻尔：“完全理解……整个问题就在于，通过实验，我们引入了某种不允许继续进行的东西。”
　　海森伯：“我不同意这一点……我宁愿说，观察者本人进行选择，因为直到做出了观察的那一时刻，选择才成为一种物理实在。”
　　　　　　　　　　　　——第五届索尔维会议上的讨论，1927年10月

 　　1927年10月，第五届索尔维会议在比利时首都布鲁塞尔成功召开了。在这次会议期间，量子力学中最为重要的波函数坍缩问题第一次被它的创立者们所讨论。

　　狄拉克认为，波函数坍缩是自然做出的选择，而海森伯则认为它是观察者选择的结果。玻尔似乎同意狄拉克的观点，然而他更关心的是量子力学的普遍的互补性特征，他尤其强调了关于物理量的定义和观察的互补性质。在玻尔看来，离开观察人们便不能谈论任何东西，这也是与会的大多数物理学家所赞同的。

　　此外，在这次会议上，爱因斯坦指出了波函数坍缩过程与相对论之间的不相容性，这是他第一次公开对量子力学发表意见。爱因斯坦的这一分析是关于量子力学与相对论的不相容性的最早认识。

　　然而，与会的物理学家们对波函数坍缩过程的认识还很模糊，他们普遍认为这一过程只是一种瞬时的选择过程，不需要进一步的说明。


哥本哈根解释一统天下

　 　　“我们认为量子力学是一个完备的理论，它的基本的物理和数学假设不再允许修正。”
　　　　　　　　—— 海森伯与玻恩，1927年10月
索尔维会议

第五届索尔维会议，点击图片放大

　　在这次索尔维会议上，所有量子理论的创建者们都参加了，从普朗克，爱因斯坦，玻尔到德布罗意，海森堡，薛定谔和狄拉克等。海森伯和玻恩当众宣布，“我们认为量子力学是一个完备的理论，它的基本的物理和数学假设不再容许修正。”这一看法为与会的大多数物理学家所赞同。至此，玻恩的几率波解释、海森伯的不确定关系和玻尔的互补原理共同形成了量子力学的正统哥本哈根解释，并从此开始统治人们对量子世界的理解。

　　量子力学的哥本哈根解释在其后几十年里成为了大多数物理学家所信奉的正统观点，玻尔也因此成为了名副其实的量子教皇。然而，反对者们依然存在，甚至在正统观点刚刚提出之时就已出现。

　　[附] 哥本哈根解释概要[2]

　　1．量子力学考察单个客体。
　　2．几率是基本的。
　　3．被测客体与测量仪器之间的边界由观察者选择。
　　4．观察方式必须用经典物理来说明。
　　5．观察是不可逆的，它产生一个记录。
　　6．测量时所发生的量子跃迁是由可能到实际的转变。
　　7．互补性质不能被同时观测。
　　8．只有测量结果可以被认为是真实的。
　　9．纯量子态是客观的但不是真实的。
下期待续

　　注1：p表示动量，q表示位置。
　　注2：根据量子化学家普利马斯（H.Primas）的系统总结。



本文相关链接

　　《量子》历史之旅(一)·发现量子 　　《量子》逻辑之旅(一)·量子的存在
　　《量子》历史之旅(二)·神秘的量子理论



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