哥本哈根詮釋

哥本哈根詮釋

哥本哈根詮釋是建立在由德國數學家、物理學家Max Born所提出的“波函式的機率表達”上,之後發展為著名的不確定原理,即震動中的微粒子——量子的類弦的決定論詮釋。把電子波與發現機率聯繫起來,並主張“波包塌縮”的一種對物質——波的量子論解釋,已經成為量子論的標準詮釋。

簡介

哥本哈根詮釋哥本哈根詮釋
電子波與發現機率聯繫起來,並主張“波包塌縮”的一種對物質——波的量子論解釋,已經成為量子論的標準詮釋。它是由波爾海森堡於1927年在哥本哈根合作研究時共同提出的。此詮釋建立在由德國數學家物理學家Max Born所提出的“波函式的機率表達”上,之後發展為著名的不確定原理。此後,量子理論中的機率特性便不再是猜想,而是作為一條定律而存在了。 量子論以及這條詮釋在整個自然科學以及哲學的發展和研究中都起著非常顯著的作用。

量子物理中“偶然性”的含義與經典物理不同的是,在量子物理中所有涉及的測量值都不可以精確的預測。比如在經典物理牛頓力學中,對一輛直線行駛中的汽車而言,我們可以通過它的初速度和加速度已及初始位置得出汽車在一定時間之後的位置及速度。而在量子物理中我們不可能這樣在微觀世界中求得在一定時間內的物體所在,取而代之的是我們可以通過機率偶然性)來預測它的位置。這個看起來十分牽強的理論確實在一段時間內遭到了不少的批判。愛因斯坦在這個理論剛被提出時曾說:“上帝不通過擲骰子來做決定”,反對他的人說:“為什麼你又要去充當上帝擲不擲骰子的決定?”

認真地對待這問題則是在1930年10月於布魯塞爾舉行的下一次會議上。愛因斯坦的戰略仍未改變。在這兩次會議之間的幾年中,他設計了一系列聰明的理想實驗,用來闡明測不準原理可以違反。作為哥本哈根詮釋的核心或關鍵,測不準原理如果被證明在單個事件中不成立,則他相信,量子理論就只是一個不完備的理論。愛因斯坦與玻爾的討論,通常在大會上午的會議上開始,而到晚上在他們旅館中的非正式會議上,又繼續下去。在這次大會上,愛因斯坦向哥本哈根學派提出的最厲害的挑戰,是稱為“光匣”(lightbox)的理想實驗。這個匣子中充滿了輻射,在其一壁上裝有一個用時鐘裝置控制的快門。在匣子發出一個光子之前和放出光子之後,分別測定匣子的重量。愛因斯坦論證,釋放光子過程的時間間隔可以用時鐘機構精確測定,而光子的能量也可以簡單地通過測量匣子的重量而任意精確地測定——這樣,就顯然違反了測不準原理。這個場面的目擊者,比利時物理學家羅森菲爾德寫道:“面對這一問題,玻爾感到十分震驚。他不能馬上找出這問題的答案。整個一晚上他都感到極度不快。他從一個人走向另一個人,企圖說服他們這情況不可能是真實的,而且指出,如果愛因斯坦正確,則將是物理學的終結;但玻爾提不出任何反駁。我永遠也不會忘記這兩個對手在離開俱樂部時的身影。愛因斯坦,一個高高的莊嚴的形象,而玻爾則在他身旁快步走著,非常激動。他徒勞地辯護說,如果愛因斯坦的裝置能夠運轉,這將意味著物理學的終結。”

第二天早上,玻爾的勝利便到來了。物理學也得救了。玻爾指出:好,一個光子跑了,箱子輕了。我們怎么測量呢?用一個彈簧稱,設定一個零點,然後看箱子位移了多少。這樣箱子就在引力場中移動了,但根據廣義相對論的紅移效應,這樣的話時間的快慢也要隨之改變。可以根據質能公式計算出最終的結果,正是海森堡測不準關係!

原來是愛因斯坦忽略了廣義相對論的紅移效應!引力場可以使原子頻率變低,也就是紅移,等效於時間變慢。當測量一個很準確的質量變化時,在很大程度上改變了箱子裡的時鐘,造成了一個很大的不確定的時間變化。也就是說,在愛因斯坦的裝置里,假如準確地測量質量變化,或者能量變化時,根本沒法控制光子逃出的時間!

廣義相對論本是愛因斯坦的獨門絕技,玻爾這一招“以彼之道,還施彼身”不但封擋住了愛因斯坦那雷霆萬鈞的一擊,更把這諸般招數都回加到了他自己身上。現在輪到愛因斯坦自己說不出話來了。愛因斯坦的這個光箱實驗非但沒能擊倒量子論,反而成了它最好的證明,給它的光輝又添上了濃重的一筆。

古典(牛頓)力學與量子力學不同

古典力學中,一個質點的「狀態」是它的位置與速度(或動量)。古典力學中,一個質點的「狀態」是它的位置與速度(或動量)。如果作用在一個質點上的力為己知(例如:一粒子彈在地心引力作用之下運動),利用牛頓第二定律(F=ma),列下「運動方程式」,再加上起始「狀態」(子彈出口之位置與速度),就可以決定以後的「狀態」(出口以後子彈的位置與速度)。如果作用在一個質點上的力為己知(例如:一粒子彈在地心引力作用之下運動),利用牛頓第二定律(F=ma),列下「運動方程式」,再加上起始「狀態」(子彈出口之位置與速度),就可以決定以後的「狀態」(出口以後子彈的位置與速度)。
量子力學中,一個質點(或粒子)的「狀態」則由一個「波函數」(wavefunction,通常的符號是ψ)代表。量子力學中,一個質點(或粒子)的「狀態」則由一個「波函式」(wavefunction,通常的符號是ψ)代表。如果作用在一個質點上的力為己知(例如氫原子模型:一粒電子在一粒質子之靜電力作用之下運動),列下「水丁格方程式」(SchrödingerEquation,1926),可以算出任何起始「狀態」(起始之「波函數」)以後的「狀態」(以後之「波函數」。)──在這個層次而言,量子力學與古典力學一樣,都是「決定論的」(deterministic),也就是:起始狀態完全決定以後的狀態。如果作用在一個質點上的力為己知(例如氫原子模型:一粒電子在一粒質子之靜電力作用之下運動),列下「水丁格方程式」(SchrödingerEquation,1926),可以算出任何起始「狀態」(起始之「波函式」)以後的「狀態」(以後之「波函式」。)──在這個層次而言,量子力學與古典力學一樣,都是「決定論的」(deterministic),也就是:起始狀態完全決定以後的狀態。
古典力學中「狀態」(位置與速度)顯然可以直接觀測。古典力學中「狀態」(位置與速度)顯然可以直接觀測。但是,量子力學中的「狀態」是一個「波函數」。但是,量子力學中的「狀態」是一個「波函式」。最基本的「波函數」,是位置與時間的一個複數函數,也就是說,空間中任意一個位置,都有一個複數值,而且可隨時間而變。最基本的「波函式」,是位置與時間的一個複數函式,也就是說,空間中任意一個位置,都有一個複數值,而且可隨時間而變。這樣一個彌漫在空間的「東西」,如何能用來描述一粒小小的電子?這樣一個瀰漫在空間的「東西」,如何能用來描述一粒小小的電子?因此,量子力學有「詮釋」(interpretation)上的問題。因此,量子力學有「詮釋」(interpretation)上的問題。

波函式的意義

哥本哈根詮釋哥本哈根詮釋

哥本哈根詮釋不認為波函式除了抽象的概念以外有任何真實的存在。至少,對於波函式是一個獨立的,可區別的實體,整個或一部分,哥本哈根詮釋都不做任何表態。
有些物理學家主張,哥本哈根詮釋的客觀版本允許真實的波函式。但是,這觀點是否與實證主義相符合,是否與玻爾的論點相符合,還是個問號。尼爾斯·玻爾強調,科學只注重實驗結果的預測,任何其它額外的命題都是不科學的,屬於玄學範圍。玻爾深深地受到實證主義影響。換個方面,玻爾和海森堡兩個人的見解也不完全相同。有些時候,他們的觀點有相當大的分歧。特別地,海森堡非常傾向實在論。
即使波函式不被視為真實的,也仍舊可以找到至少兩派意見不同的物理學家,主觀派認為波函式只是一個計算實驗幾率的數學工具,沒有別的意義。不可知派則認為波函式是不可知的,對於波函式不表示任何態度。
CarlFriedrichvonWeizsäcker是不可知派一位著名的物理學家。在參與一個劍橋大學的學術報告會時,他否認哥本哈根詮釋主張不能被觀察到的事物絕對不存在。他提出哥本哈根詮釋所信奉的原理是:能被觀察到的事物當然存在,而不能被觀察到的,我們仍舊可以自由地做適當的假設。我們利用這個自由來避開弔詭。

霍金膜上的四維量子論

愛因斯坦的詮釋類似10維或11維的“弦論”=振動的弦、震盪中的象弦一樣的微小物體。

霍金膜上四維世界的量子理論的近代詮釋(鄧宇等,80年代):

振動的量子(波動的量子=量子鬼波)=平動微粒子的振動;振動的微粒子;震盪中的象量子(粒子)一樣的微小物體。

波動量子=量子的波動=微粒子的平動+振動

=平動+振動

=矢量和 

量子鬼波的DENG'S詮釋:微粒子(量子)平動與振動的矢量和

粒子波、量子波=粒子的震盪(平動粒子的震動)

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