理论教育 物质世界的起源之谜:物理学家对量子理论的困惑

物质世界的起源之谜:物理学家对量子理论的困惑

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:事实上,目前的主流量子理论还是有很多没有解决的问题。即使人们接受了哥本哈根学派对于波函数的诠释,量子力学还有许多无法解释的地方。另外,对于量子力学方程的物理基础,哥本哈根诠释也不能提供一些确切的解释。在爱因斯坦与玻尔辩论以后的几十年里,许多顶尖的物理学家还是觉得微观的量子世界难以理解。因此有些时候,他们也会不讳言地表达自己对于量子力学理论的困惑。

物质世界的起源之谜:物理学家对量子理论的困惑

现在有很多科普书都说爱因斯坦后来是反对量子力学的。这其实并不完全准确。首先,爱因斯坦并没有排斥在微观世界里面的量子概念,相反,他的工作事实上对量子概念的发展提供了重要的支持。其次,爱因斯坦也没有反对目前使用的量子方程。事实上他是很赞赏薛定谔建立的量子方程式。而且,他对薛定谔的这项工作也曾经起了一些促进的作用。爱因斯坦与主流量子物理学家的分歧主要在于他不喜欢用概率来诠释物质波。因此,他始终没有接受哥本哈根学派的诠释。

事实上,目前的主流量子理论还是有很多没有解决的问题。即使人们接受了哥本哈根学派对于波函数的诠释,量子力学还有许多无法解释的地方。例如,根据“哥本哈根诠释”,物质波只是一种概率波,电子还是一颗一颗的粒子(就像一粒微型的子弹一样),那么怎样解释电子的双缝干涉实验呢?为什么一个单独的电子似乎能同时穿过两个不同的缝?另外,对于量子力学方程的物理基础,哥本哈根诠释也不能提供一些确切的解释。

在爱因斯坦与玻尔辩论以后的几十年里,许多顶尖的物理学家还是觉得微观的量子世界难以理解。他们甚至没有办法向学生解释清楚什么是量子物理。因此有些时候,他们也会不讳言地表达自己对于量子力学理论的困惑。

20世纪最著名的物理学家是爱因斯坦,很多人认为紧随其后出名的物理学家大概就是费曼。费曼写过一套著名的物理学教材—《费曼物理学讲义》,广受学生欢迎。虽然费曼是一位天赋聪颖,而且行事高调自负的人,但他在他的物理学讲义里也坦承各种量子现象神奇无比,自己确实无法解释。他甚至说:“I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.”(我敢保证没有人真的明白量子力学。)在他的讲义里,当他要介绍波粒二象性的时候,他是这样说的:

“由于原子运动现象和我们日常的经验非常不同,无论对于学生还是经验丰富的物理学家,量子现象对每个人来说都是十分神秘的。即使是这方面的专家也无法用他们希望的方式来解释其原理。不过,‘无法解释’其实也是合理的。因为所有人类的直接经验和其直觉都只适用于大尺度上的物体。我们知道大尺度上的物体的运动规律,但微观物体不会那样运动。因此,我们必须以某种抽象或富有想象力的方式,而不是依靠我们的直接经验来了解它们。”(www.daowen.com)

“在这一章里,我们会立刻面对神秘的量子现象中最奇怪的部分。这是一种绝不能以任何经典方式解释的现象,它同时也是量子力学的核心部分。实际上,它也是唯一的奥秘。我们无法解释这个奥秘,因为我们无法以通常意义上的‘解释’来解释。我只会‘告诉’你它是怎样的。当我‘告诉’了你它是怎样的,我也就告诉了你所有量子力学里主要的奇妙之处。”[8]

当费曼在他的讲义里介绍薛定谔方程的推导时,他也指出了这个方程的物理基础仍待探索:“这个方程是哪里来的呢?哪里也不是。这根本不可能从已知的任何东西里导出。它是从薛定谔的脑里蹦出来的。”

惠勒(John Wheeler)是美国一位举足轻重的物理学家,是费曼的博士生导师。他也曾前往哥本哈根与玻尔合作研究量子力学。因此,人们往往把惠勒当成“哥本哈根学派”的重要一员。20世纪中期他在普林斯顿大学工作时曾与爱因斯坦有过不少互动。惠勒认为,量子力学还有太多的问题不能回答。“量子理论的本身不会使我烦恼。世界就是那样运作的。使我寝食难安的是去了解:量子理论是如何得到的?它下面的深层基础是什么?它从何而来?”(20世纪80年代,本章作者与惠勒曾经有过一些交流。在我的印象中,惠勒与许多成名的科学家不太一样,思想比较开放;他对后辈一些非传统的想法也较为鼓励。)[9]

英国牛津大学有一位当代的著名理论物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose),他是著名物理学家斯蒂芬·霍金的合作者。他曾说:“量子力学理论有两个支持它的事实,而只有一个是反对它的。首先,对它有利的是该理论与迄今为止的每一个实验结果都达成一致。其次,它是一种具有深刻的数学美的理论。不过,反对它的一件事是它完全使人想不通!”(The one thing that can be said against it is that it makes absolutely no sense!)[10]

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈