量子物理错在哪里？（一）
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量子物理错在哪里？（一） & & & 前不久，【科学报官微】发表《&量子物理学：到底什么是真的？》。用到了“怪诞、欺骗”等词语。在此，想用两篇文章从根基探讨量子物理学的问题。 & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & 晏成和（） & & & & & & & & & & & & &一、量子力学的的由来 & & &量子力学是学习现代物理的第一道门坎，难教、难学、难理解。每个进入物理专业的学生都要历经量子力学的洗脑，达到波是粒子、粒子也是波的波粒二象性境界。要达到这样的境界，就要淡化逻辑、搁置理性。早在几十年前，勤于思考的北京大学物理系的学生就发出了呐喊：“量子力学不讲理，量子力学是从天上掉下来的！” & & & 宏观世界的波与粒子泾渭分明，不可能既是粒子又是波，更不可能同一个粒子同时存在许多地方。为什么到了微观世界就要换一套思维、换一个逻辑？一个世纪的量子力学的诠释史，几乎就集中在认识波粒之魔的“本来面目”上，大师们费尽了脑筋，对初学量子物理的学生更是一个痛苦的洗脑过程。人们为什么要冷淡逻辑和理性的经典物理，而去研发复杂深奥的量子力学？我们先来看看量子物理的来历。 & & &黑体辐射 & 早在19世纪，随着炼钢工业的发展，科学界就开展了对辐射的精细研究，科学家精心设计并制作了一个装置——黑体辐射。（图一，A实验装置）黑体所蕴含的全部热仅只能由此小孔向外辐射。经过多次精细的实验，得到（图一，B实验曲线）所示的温度、辐射波长及辐射量的曲线。 & & & & & & & & & & & &A & & & & &图一 & & & & & &B面对这样的曲线，学者们运用数学才能来拟合这条曲线，其中著名物理学家普朗克写出的数学表达式与实验曲线拟合得天衣无缝。但是，普朗克先生的公式中，代表能量的数值不能是连续的，而必须是一个最小值的整数倍，这个最小值就是普朗克常量。 & & 普朗克常量表达了微观世界的实在，它揭示了在微观世界，能量是不连续的，辐射能量也不能是无限小，它必须是普朗克常量的整数倍！自从经典物理建立以来，学者们在宏观世界习惯了连续无级量变的思想方法，面对黑体辐射出现的量的不连续，陷入了深深的困惑。这给在宏观世界的常规思维带来了冲击，也把科学带入到了量子时代。 & & &接下来，物理学界相继做出了光电效应、汤姆孙实验等当时经典物理难以解释的实验。爱因斯坦提出：在光电效应中，光象个胡桃（粒子）“敲打”出了电子，于是就有了“光子”之说（我之前有文章《光电效应》）。在汤姆孙实验实中，射出的电子在靶上形成了明显的同心圆——衍射环，衍射是波的鲜明特征，那么电子就应该是波，而落在靶上时它又重重一击，肯定是粒子。种种实验，波、粒混杂的事实频繁出现。尽管这些实验效应令人困惑，却是自然的真实。波粒难分，你说它是波的时候，它可能是粒子；你说粒子时候，它可能是波，于是学界把波、粒统称为量子。并提出假说：微观世界的量子具有波、粒二象性，导致了二象性理论的建立，促成了量子力学的建立和发展，也带来物理学的诸多疑惑、茫然。 & & 20世纪20年代，针对经典物理的困惑，多位物理大师提出了新的猜想和假说，历经了激烈的思想的碰撞。与此同时，又不断地有新的二象性的实验出现、有新的数学公式建立，于是，在多位泰斗的假说堆砌、相互印证之下，量子力学应运而生。 & &经大师们后续补充，量子力学日渐兴隆，有实验、有理论、有公式、有习题、自成体系，成了物理学主流，其中良莠交织、鱼龙混杂。虽然二象性理论牵强难懂，暗藏不确定的危机，但泰斗之名如雷贯耳，其气势如虹，不容置疑。 & &需要说明的是：量子物理学中,核外电子的跃迁辐射是有级的,玻尔先生的氢原子假说是符合实在的；量子物理揭示了微观世界自然物质的一种基本特性——分立性或非连续性，理当予以肯定。泡利先生提出的不相容理论，经历了实践检验，是应当遵循的原理。正因为量子力学有这些对的成分，对的部分有实验、有事实，铮铮如铁。而错谬暗藏其间，因而有很大的蒙蔽性。 & &因为夹杂谬误底气不足，量子力学没有科学应有的逻辑、理性；没有精确、严谨的因果关系。公式复杂、结果又不准确，总有一只不知死活的猫藏身其中。（物理泰斗薛定谔为解释波、粒的不确定性所提出的著名的思想实验：在装有剧毒物品的铁箱内有一只猫，猫的死活是不确定的，用以解释物质是波、是粒子也是不确定的。因为有这种不确定性，有人戏称原子中存在着幽灵。）&有几个版本的《量子力学》前言，为了陈述本学科存在的前提和必要性，一般都要列举经典物理的五大困惑：1、黑体辐射。2、原子塌陷。3、光电效应。4、原子光谱及能级规律。5、固体与分子比热。这五大困惑实际上是五个大实验，面对实验事实，经典物理解读乏术、陷入困境，所以要抛弃经典另立量子力学。需要指出的是，量子物理除了在“量”的思想方法上有所建树外，仍然延续着电子云、自由电子这些电子运动无规律的理论糟粕，并没有清楚地解释五大实验中的问题，只是用波、粒混淆的二象性这深层的迷茫替换经典物理直观的困惑、用臆想的物质波偷换电子运动所伴生的波；量子力学的数学基础——波函数不具备物理模型，对物理实在的描述是不完备的，多了些复杂而又不准确的计算，走了一条更弯的弯路。& & & & & & & & & & & & 二、波与粒子 & & &一个世纪的量子力学，几乎就纠结在认识波粒的“本来面目”上。你说它不合逻辑，可它有一大堆实验作证。大师们唇枪舌剑、费尽了脑筋，学子艰辛承受，可就是忘却了一个熟视无睹的基本的实验。早在1820年，奥斯特发现了直流电对导线外小磁针的作用，190多年来，这个实验就一直占据着我们的物理课堂，这是个几十亿人见证的实验。 & & &该实验显示：直流电导通，电珠发光，导线附近的小磁针立即偏转，杂乱无章的铁粉在导线周围形成了规则的同心圆；用右手定测能测定电流方向与磁场之间的确定的关系。人人都知道实验结论：电流（电子的直流）会在导线的周围产生磁场。见图二。 & & & & & & & & & & & & & & & & 图二实验中，导线内定向流动的电子是粒子，每个电子有稳定的质量、电荷，电子的粒子性早有定论。在通电后，杂乱的铁粉立即形成环绕导线规则的同心圆，同心圆是衍射的表象、是波的明显特征。其微观机理是什么？应当引起深思。其实，奥斯特实验实质就是最早的波、粒二象同时显现-电子伴生波的实验， & & & 实验中，电子只能在导线内定向移动；波的集合（同心圆）在导线周围显现，导线内的粒子（电子）与导线外的波泾渭分明，虽然波、粒同时呈现，但粒子是粒子，波是波，不存在所谓的粒子是波的二象性。实验显示：电流导通磁场产生；电流反向磁场反向，二者相依相伴。导线周围的磁场总是伴随着电流的导通而随即发生——伴生。 & & &大自然在奥斯特实验中提示着我们：——电子的运动伴生着电磁波。 & & &尽管电子的运动伴生电磁波的微观机理尚待我们探索；但电子的运动伴生着电磁波的自然事实我们必须承认并真诚面对。 & & &粒子和波是不同的概念，电子不可能二者都是，也不会都不是，然而这样的伴生则是自然事实，而且经常发生，事物运动时周围伴生着其信息是大自然的普遍现象：走路伴生着脚步声、飞机伴生着轰鸣、船行伴生着波浪；温血动物体外伴生着红外线、并伴生气味标识势力范围、昆虫伴生着信息素、植物的花果飘香……人们用钳形电流表测量的是电磁的感应，得到的是电子的流量。（我已有撰文《伴生》） & & & &一百年来人们相继作出：光电实验、双缝实验、汤姆孙实验等多种波、粒同时呈现的实验。由于忽视奥斯特实验、忽视伴生这个自然的普遍现象，忽视了电子运动伴生着电磁波。探索者在波、粒的问题上纠缠、琢磨，先是在“是粒子还是波”中刻意选择，厘之不清，然后就提出了“既是粒子又是波”，把波粒混为一体，使量子物理陷入波、粒悖论的泥沼。 & & &电子是波与电子运动伴生着波是不同的概念，波是连续延伸扩散的；粒子是单个独立的，既是波又是粒子的提法是与逻辑相悖的，既是又是构成了量子力学不讲理的起端。而今，用电子运动伴生电磁波的理念来领悟会上述种种实验。会有非常恰适的阐释，因为实验本身就是电子的运动伴生着电磁波的自然事实的表现。&参考文献：&晏成和： &《物理新视点》 &湖北人民出版社 & 2006、10、李学生： &《量子力学基础的思考》 & & & & & 2006、曾谨言: & 《量子力学》第一册,第二版,科学出版社,1998 。吴锡珑 & &《大学物理教程》第三册 &第二版高等教育出版社，1999、& &
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通讯地址：北京市海淀区清华大学理科楼物理系C-404
电子邮件:quantum@phys. 联系电话:010-量子物理学：到底什么是真的？
11:41&&来源: &&编辑: 张思儒
一项试验表明，油滴能被槽液中产生的波推动。这促使物理学家重新思考类似事情使粒子表现得像波一样的观点。 图片来源：Dan Harris/MIT
　　Owen Maroney担心，物理学家将大半个世纪都花在了欺骗行当上。
　　身为英国牛津大学物理学家的Maroney解释说，自从他们在20世纪初发明量子理论后，就一直在讨论它有多么奇怪，比如它如何使得粒子和原子同时在很多个方向移动，或者同时顺时针和逆时针旋转。不过，Maroney认为，讨论终究不是证据。&如果我们告诉公众量子理论是怪诞的，就最好证明这是真的。否则，我们不是在研究科学，只是在黑板上解释一些好玩的胡乱涂鸦而已。&
　　正是这种情怀让Maroney和其他人开发出一系列新的试验揭示波函数的本质，而这种神秘实体是量子怪诞性的核心所在。在论文中，波函数只是一个简单的数学对象。物理学家用希腊字母&P表示，并且利用它描述粒子的量子行为。依靠试验，波函数使研究人员得以计算出在任何一个特定位置观测到电子的几率，或者电子自旋朝上或朝下的可能性有多大。然而，数学无法阐明波函数真正是什么。它是一种实体的东西?或者只是一个计算工具?
　　用来寻找答案的测试极其微细，并且尚未产生明确的答案。不过，研究人员对于答案将近持乐观态度。如果真的是这样，他们最终将能回答那些存在了几十年的问题。一个粒子能否真的同时存在于很多地方?宇宙是否正在继续把自己变成平行世界，而每个世界都拥有一个不同版本的我们?是否有客观实体的东西存在?
　　&这些是每个人在某种情况下都曾问过的问题。&澳大利亚昆士兰大学物理学家Alessandro Fedrizzi说，到底什么才是真正的事实?
　　无知是福
　　20世纪20年代，&量子论的哥本哈根诠释&主要由物理学家Niels Bohr和Werner
Heisenberg提出。其认为波函数只不过是预言观测结果的一种工具，并且警告物理学家不要关心背后的现实是什么样子。&你无法责怪大多数物理学家遵从这种&闭嘴，乖乖计算&的风气，因为它在核物理学、原子物理学、固态物理学和粒子物理学领域都带来了巨大的发展。&比利时鲁汶天主教大学统计物理学家Jean
Bricmont说，&因此，人们会说，让我们不要担心大的问题。&
　　不过，一些物理学家还是在担心。到了20世纪30年代，阿尔伯特&爱因斯坦驳斥了&哥本哈根诠释&，并不仅仅因为它使两个粒子的波函数纠缠不清，产生了对于一个粒子的测量结果能瞬时决定另一个状态的情形，即使这些粒子被很远的距离分开。爱因斯坦并没有接受这种&幽灵般的超距作用&，反而更偏向于相信粒子的波函数是不完整的。他建议说，或许粒子拥有某种能决定测量结果但量子理论没有捕捉到的&隐变量&。
　　从那以后，试验表明，这种&幽灵般的超距作用&是真实的，其排除了爱因斯坦所提议的隐变量的特定版本。不过，这并未阻止其他物理学家提出自己的诠释。这些诠释分为两个广泛的阵营。那些赞同爱因斯坦的人认为，波函数代表了人类的无知。还有些人将波函数视为实体。
　　为理解两者之间的区别，请看1935年奥地利物理学家Erwin
Schrodinger在一封写给爱因斯坦的信中所描述的思维实验。试着想象一只猫被关在钢制盒子中，而这个盒子还含有一种放射性物质的样品，后者有50%的几率在一个小时内释放出一种衰变产物。同时，盒子里设有一个装置，如果它检测到这种衰变，将毒死这只猫。Schrodinger写道，由于放射性衰变是一种量子事件，因此按照量子理论规则，在一个小时结束后，盒子内部的波函数必须是活着的猫和死去的猫的等量混合。
　　不过，这正是争论被卡住的地方。在量子理论的众多诠释中哪个是正确的，如果有的话?这是一个用试验方法很难回答的问题，因为不同模型之间的差异非常细微。
　　2011年，情况发生了改变。一种关于量子测量的定理得以发表，而它似乎排除了&波函数是无知&的模型。不过，仔细研究发现，上述定理最终为&波函数是无知&模型留出了足够的回旋空间。然而，它激发了物理学家认真思考通过真正测试波函数真实性解决争论的方法。Maroney已设计出一项在原理上行得通的试验。他和其他人很快找到了使其在实践中可行的方法。去年，Fedrizzi、昆士兰大学物理学家Andrew
White和其他人开展了此项试验。
　　孤立无援
　　一种类似的模棱两可出现在量子系统中。例如，实验室中的单一测量结果并不总是能辨别出光子是如何被极化的。&在实际生活中，很容易区分西面和西面稍偏南。但在量子系统中，并没有这么简单。&White说。根据标准的&哥本哈根诠释&，质疑什么是极化没有任何意义，因为这个问题没有答案。或者说，至少得等到另一个测量结果能精确地决定那个答案。不过，根据&波函数是无知&模型，这个问题非常有意义，只是因为试验没有获得足够信息来回答它。
　　这正是Fedrizzi团队所测试的事情。他们在一束光子中测量了极化和其他特征，并且发现了无法被&无知模型&解释的一定程度的重叠。研究结果支持另一种观点，即如果客观实体存在，那么波函数也是真实的。
　　不过，结论仍然不是牢不可破的，因为探测器获得的只是测试中使用的约五分之一的光子。研究团队不得不假定，丢失的光子正表现出相同的方式。这是一个很大的假设，而研究组目前正努力消除取样间隔，以产生明确的结果。与此同时，Maroney在牛津大学的团队正在同新南威尔士大学的一个小组合作，利用比光子更容易追踪的离子开展类似测试。
　　平行世界
　　一种&波函数是实体&的模型已经很出名，并且被科幻小说作家深爱：上世纪50年代由当时还是普林斯顿大学研究生的Hugh
Everett提出的&多个世界诠释&。在多个世界的画面中，波函数主宰着实体的演化。其影响是如此深远，以至于无论何时量子测量完成，宇宙都会分裂为平行的&副本&。换句话说，打开关有猫的盒子，两个平行世界将扩展出来，一个有一只活的猫，一个含有一具尸体。
　　其实，很难将Everett的&多个世界诠释&同标准量子理论区分开来，因为两者都作出了完全相同的预测。不过，去年，来自格里菲斯大学的Howard
Wiseman和他的同事提出一种可测试的&多元宇宙模型&。他们的框架不含有波函数：粒子遵循着经典原则，比如牛顿的运动定律。量子实验中看见的怪诞效应之所以会产生，是因为平行宇宙中的离子及其克隆之间存在排斥力。&它们之间的这种排斥力建立了在所有平行世界中传播的涟漪。&Wiseman介绍说。
　　通过利用计算机模拟多达41个相互作用的世界，他们发现这种模型大致能复制一些量子效应，包括双缝实验中粒子的轨迹。随着世界数量的增加，相互干预模式同标准量子理论预测的模式越来越接近。Wiseman表示，由于该理论依靠宇宙数量预测不同结果，因此应该有可能设计出核验其多元宇宙模型是否正确的方法。
　　由于Wiseman的模型不需要波函数，因此它将保持着可行性，即使未来的试验排除了&无知模型&。同时幸存的还有诸如&哥本哈根诠释&等那些认为没有客观实体存在的模型。
　　不过，White说，到那时，这将是最终的挑战。尽管还没有人知道如何实现它，&真正令人激动的是设计出检验事实上是否有任何客观实体存在的测试&。
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