量子力学的解释

虽然量子力学已应用到问题中物理尽管取得了巨大的成功,但它的一些想法似乎很奇怪。他们中的一些人影响都在这里考虑。

电子:波或粒子?

杨在前面提到的实验中,一束平行的单色光通过一对平行的狭缝(图5一个)有一个电子同行。在杨的原始实验中,光的强度在穿过狭缝后随方向变化(图5 b).强度振荡是因为干扰在从两个狭缝中发出的光波之间振荡速率取决于波长以及缝隙的分离。振荡产生了边缘由光调制的明暗交替条纹的图案衍射每个狭缝的图案。如果其中一个狭缝被覆盖,干涉条纹消失,只有衍射图案(显示为折线在图5 b)被观察到。

年轻的实验可以用相同动量的电子重复。光学实验中的屏幕被紧密排列的电子探测器网格所取代。有许多探测电子的装置;最常见的有闪烁体.当一个电子通过一个闪烁的材料,如碘化钠,该材料产生一个闪光的电压脉冲,可以放大和记录。每个探测器记录的电子模式与预测的相同波长由德布罗意公式给出。因此,该实验为电子的波动行为提供了确凿的证据。

如果用一个非常弱的电子源重复这个实验,只有一个电子通过狭缝,那么一个探测器就会记录下一个电子的到达。这是一个粒子的良好定域事件特征。每次重复实验时,就有一个电子通过狭缝并被检测到。检测器位置沿1绘制的图而另一边的电子数看起来和振荡干涉图完全一样图5 b.因此,图中的强度函数与电子在通过狭缝后向特定方向移动的概率成正比。除单元外,其功能与Ψ相同2,其中Ψ为与时间无关的解薛定谔方程对于这个特殊的实验。

如果其中一个狭缝被覆盖,条纹图案消失并被单个狭缝的衍射图案所取代。因此,两条狭缝都需要产生条纹图案。然而,如果电子是一个粒子,假设它只通过其中一个狭缝似乎是合理的。这个装置可以改装成确定通过在每个狭缝周围放置一个细金属圈。当一个电子穿过一个环时,它会产生一个小电信号,显示它穿过了哪个狭缝。然而,干涉条纹然后图案消失,单缝衍射图案返回。由于干涉图样的出现需要两条狭缝,而且要知道电子通过了哪一条狭缝而不破坏干涉图样是不可能的,因此我们不得不得出这样的结论:电子同时通过了两条狭缝。

总之,这个实验同时展示了电子的波和粒子性质。波的性质预测了电子在被探测到之前传播方向的概率;另一方面,电子在特定位置被检测到这一事实表明它具有粒子性质。因此,电子是波还是粒子这个问题的答案是,它两者都不是。它是一个显示波或粒子性质的物体,这取决于对它进行的测量类型。换句话说,一个人不能谈论内在电子的性质;相反,我们必须同时考虑电子和测量仪器的性质。

隐变量

一个基本概念量子力学是随机性,或不确定性.一般来说,该理论只预测概率某种结果的。考虑以下情况放射性.想象一盒具有相同原子核的原子,它们可以随着辐射衰变α粒子.在给定的时间间隔内,一定的分数会衰减。这个理论可以精确地告诉我们这个分数是多少,但它不能预测哪些特定的原子核会衰变。该理论断言,在时间间隔的开始,所有的原子核都处于相同的状态,衰变是一个完全随机的过程。即使在经典物理学中,许多过程也是随机的。例如,有人说,当一个轮盘赌转轮转动时,球将随机落入转轮中有编号的隔间之一。基于这种信念,赌场老板和玩家在每次投注中对每个数字给出和接受相同的赔率。然而,事实是,如果一个人注意到赌场管理员释放球时轮盘的确切位置,轮盘的初始速度和其他各种物理条件,就可以预测中奖号码参数.仅仅是对初始条件的无知和计算的困难使得结果看起来是随机的。另一方面,在量子力学中,随机性被认为是绝对基本的。该理论认为,尽管一个原子核衰变而另一个没有,但它们之前处于相同的状态。

许多杰出的物理学家,包括爱因斯坦,有不接受这种不确定性.他们否定了原子核最初处于相同状态的观点。相反,他们假设这两个原子核之间一定存在某种不同的性质——虽然目前还不知道,但仍然存在。这种类型的未知属性被称为隐藏变量;如果它存在,它将恢复物理学的确定性。如果已知隐变量的初始值,就有可能预测哪些原子核会衰变。当然,这样的理论也必须解释大量的实验数据,而传统的量子力学只能用一些简单的假设来解释。德布罗意曾尝试过,大卫玻姆,以及其他人基于隐变量构建理论,但这些理论非常复杂和做作。例如,在双缝实验中,电子肯定只能通过一个缝。为了解释干涉只在另一个狭缝打开时发生,有必要假设一种作用在电子上的特殊力,它只在狭缝打开时存在。这种人为的添加使得隐变量理论缺乏吸引力,而且在物理学家中几乎没有人支持它们。

量子力学的正统观点——即本文所采用的观点——被称为量子力学哥本哈根解释因为它的主角,尼尔斯·玻尔他在那个城市工作。理解物理世界的哥本哈根观点强调将理论建立在可观察和实验测量的基础上的重要性。因此,它拒绝将隐变量视为无法测量的量。哥本哈根的观点是,在自然界中观察到的不确定性是根本的,并不能反映出目前科学知识的不足。因此,人们应该接受不确定性,而不是试图“解释”它,看看是什么后果来吧。

有人试图将自由意志量子力学的不确定性,但很难看出该理论的这一特征如何使自由意志更加可信。相反,自由意志大概意味着理性的思考和决定,而量子力学中的非决定论的本质是它是由于内在的随机性。