浅谈量子力学

2018-04-08

福建质量管理 2018年7期

(中北大学　山西　太原　030000)

引言

量子力学理论正在逐渐应用于现实生活中，国内外对量子力学的研究也成为正在发展的新趋势。经典力学中，用质点的位置和动量来描写宏观质点的状态；而量子力学中，用波函数来描述微观粒子的状态，用薛定谔方程来描述微观粒子状态随时间的变化[1]。波函数在空间中某一点的强度(振幅绝对值的平方)和在该点找到粒子的概率成比例，表明了粒子轨迹的不确定性。薛定谔方程是量子力学的基本方程，它揭示了微观物理世界物质运动的基本规律。

一、量子世界的或然性

宏观世界中，物体的位置及其运动轨迹可以由经典物理中的规律或方程描写出来。量子世界中却不能，海森堡的不确定性原理表明，一个微观粒子的位置和动量不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。实际上，粒子的运动轨迹也是不好测量的。惠勒有一个著名的延迟选择实验[2]如图1所示：(a)为光子I经过半反射镜s/2分成2a，2b两束，而后分别经A，B两全反射镜到达右侧交叉点处；(b)为当做接收装置的两计数器，可以分别接收到来自A，B的光子；(c)为另一接收装置，在交叉点处比(b)多加了一个半反射镜。当使用(b)装置时可以通过观察哪个计数器发出响声来判断光子从哪条路径(A或B)经过；然而当使用(c)接收装置时，调节好半反射镜，会发现其中一个计数器发出哒哒的响声，另一个计数器没有反应，这说明4a和4b两光束相干，一个光子同时在走A和B两条路径！因此，我们就可以通过延迟到最后一刻光子已经完成它的旅途之后再决定放或者不放第二个半反射镜，来决定光子走过的路径。惠勒的这个实验可以说明，我们并不知道粒子在到达探测器前发生了什么，我们只能知道它被观测到时的现象。正如惠勒用那幅“龙图”所说，龙的头和尾巴(输入输出)都是清晰的，但它的身体(路径)却是一团迷雾，没有人可以说清楚。延迟选择实验同样说明了的是，基本量子现象依赖于所使用的测量仪器。

图1　延迟选择实验

二、态叠加与态坍缩

从量子力学的角度来说，态是可以叠加的。一般观点认为：客观物体要有一个确定的空间位置，这种存在，不以人的意志为转移。比如，你的狗在家或者不在家，必然只有其中一种状态；而量子力学观点认为：你的狗有一种状态是既在家又不在家两种叠加的状态。如果不观察它，它就处于叠加态；倘若想要确认一下则触发了观察的动作，一经观察，叠加态就发生了坍缩：从原来的叠加状态，变成在家或不在家的唯一状态，这就是叠加态的坍缩。这里的观察也就是测量，量子力学的测量中会发生态的坍缩，即坍缩到一种你测量到的确定的状态。当你未测量时，一个态在按薛定谔方程做演化，你只能计算平均值。当你测量时，这个态就会以波函数的平方为概率进行坍缩(具有随机性)，坍缩到某一个测量值的本征态。薛定谔的猫[3]是一个很经典的实验，实验过程是：一只猫放进一个封闭的盒子，并把这个盒子接到一个带有原子核和毒气设备的装置上。原子核有百分之五十的可能发生衰变，衰变时会发射出一个粒子，发出的粒子会触发毒气设备，毒气外露便会杀死猫；原子核未衰变，猫便活着。因此现在这只猫就处于这种既死又活的迭加状态。你一旦想打开这个盒子来测量一下猫是死是活，那么在你打开的瞬间波函数就坍缩了，猫的状态就变成了一个确定的状态。其实测量的过程，也就是人的意识掺杂入其中的过程，因此也可以认为，是人的意识导致了波函数(量子力学的状态)的坍缩，使不确定状态变成确定的状态，进而改变了客观世界。

三、量子现象的基本创造行为

或然性是基本量子现象的一种属性，大自然用或然性建立了必然性；选择性则是另一种属性。从惠勒的延迟选择实验中，我们推断出假如我们有足够的时间进行延迟选择即在实验的最后一刻决定用哪一种探测器并将其放在交叉点处时，我们采取的实验方式将对光子过去的行为产生不可挽回的影响。0957+561A和B两个类星体实际上是一个类星体的光线经受引力透镜效应后形成的两个像，被误认为两个类星体。我们拿它们做宇宙尺度上的光束分离实验，进行延迟选择。当用图1(c)中接收设备时，我们判断光是从“哪条路”来的。当用图1(d)中接收设备时，我们则判断光是从“两条路”来的。因此可以粗略的说，我们在光子已经完成它的行为之后，决定了光子的行为！这可以理解为基本量子现象的基本创造行为。过去的并不是完备地存在的，我们用怎样的量子设备置于现在这一点将会对我们所谓的“过去”有一种不可否认的影响。换言之，被我们称之为“过去”的那个时空，过去的那种事件，实际上是由前不久的过去以及现在所选择的测量来决定的，由这些决定所实现的现象，可影响过去，直至宇宙之始。由此，我们可以说宇宙决定于基本量子现象的创造行为。宇宙大爆炸只不过是所有涉及过去的各种观测者参与的亿万次基本创造作用的累加。真正建造宇宙存在的单元是基本量子现象。