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三.对量子世界的理论认识 一. 波尔——哥本哈根解释电子、光子和其他微观粒子的行为，有时像波 有时似粒子的这一事实常常引起这样的问题，它们 实际上是什么？波尔及其他所在的丹麦的物理研究 所给出了一种解释，通常称为波尔——哥本哈根解 释，主要由下面几个方面组成 1.互补性原理 按照波尔的观点，询问一个电子实际上是什么 的问题是没有意义的或者至少，物理学不告诉我 们世界是什么，而是告诉我们关于世界我们能谈论 什么特别是，如果一个物理学家就一个量子系统 做一次实验，只要实验装置的细节已知，那么物理学家就可以就他观察的东西做一个有意义的预言 例如，在杨氏双缝实验中我们有一个明确的选择： 或者听任电子或光子自由自在，并观察干涉图；或 者窥探粒子的径迹，并洗去干涉图这两种情况并 不矛盾，而是互补的同理，存在位置与动量的互 补性，我们即可选择测量一个粒子的位置，此时它 的动量是不确定的，我们也可测量动量，而把其位 置的信息出卖掉每一个信息——位置与动量—— 构成量子客体的一个互补方面波尔将这些思想上 升为互补性原理：量子客体的波动性与粒子性构成 其行为的互补方面，我们不可能找到一个实验来证 实电子同时即像粒子又像波。

2.模糊性与几率波动性与粒子性共存，很快就导致了关于自然 界的一些令人吃惊的结论，例如：一束偏振光射向 一个偏振片，当光的振动方向与偏振化方向成450 角时，按波动理论将有一半的能量透射过去减弱 入射光强度以至于每次只有一个光子射出，由于光 子不可分割，任意给定光子必定是通过或是被挡住 了平均起来，一定有一半光子通过了，一半挡住 了但是哪些通过了，哪些挡住了？由于具有相同 能量的光子被假定是完全相同的，从而使不可分辨 的，这迫使我们得出这样的结论，光子的穿越纯粹 是随机的虽然任何一个给定光子穿越的几率为 1/2，但要预言哪些具体的光子会穿越确实不可能 的，只能给出穿越的几率此结论是引人入胜的，也是令人不安的量子物理学发现之前，世界被视 为完全可以预言的(18世纪法国大数学家拉普拉斯 曾说：设想有一位智者在每一瞬间得知激励大自然 所有的力，以及组成它的所有物体的相互位置，如 果这为智者如此博大精深，它能对这样众多的数据 进行分析，把宇宙最庞大物体与最轻微的原子的运 动包容在一个公式中，那么对他来说，没有什么事 情是不确定的，将来就像过去一样展现在它的眼前 )，至少原则上如此尤其是做相同的实验，人们 就期望得到相同的结果。

但在光子与偏振片的情况 中，我们发现两个相同的实验却有着不同的结果， 显然这个世界根本不是完全可以预言的实际上 在量子物理发现前，我们也知道许多不可预言的系 统，如天气预报、股票市场、赌盘轮的千变万化等 但这并未迫使物理学家对物理定律做出根本性的重 新评价其原因是日常生活中的大多数事物的不可 预见性是因为我们不具备足够的信息，当涉及到某 些动力学变量的信息被摒弃时，模糊性与不确定性 这个要素就被引入到我们对系统的描述中然而我 们知道这个模糊性实际上是那些我们选定摒弃的所 有变量活动性的结果这些变量被称为“隐变量”， 它们总是存在的，只是我们观察可能太粗糙，以至 于不能将其揭示出来在微观世界里，模糊性与 不确定性是微观粒子本身所具有的特性，绝非我们 观察粗糙或是实验仪器简陋的结果我们只能用几 率来描述微观粒子，在理论上，我们永远无法确切 的知道一个粒子在什么位置，当我们设计一个实验 去确定该粒子的位置时，波函数仅能告诉我们在空间某点找到它的几率这个思想与经典理论的根本 区别在于一个微观粒子可同时出现在空间的任何位 置，只是在各位置出现的几率不同海森堡不确定原理进一步说明了微观粒子的模 糊性，此原理现已成为量子力学的核心部分。

不确 定原理究竟反映了什么？波尔认为：在对某个量子 客体实行一次测量之前要把一组完全的属性（动量 、位置、能量、自旋）归属与它是毫无意义的，例 如，测光子的片振态，在测量前我们不可能确定光 子具有什么偏振态，在测量之后我们确定可以给该 光子赋予一确定的偏振态类似的，在测量粒子的 位置与动量之前也不能说该粒子具有这些量的特定 值，如果是测量位置，其结局是粒子处在某处，如 果是测动量，我们就可得到一个运动的粒子在前 一种情况中，测量完成后粒子就不具有动量，后一种情 况中粒子无定域波尔曾说：“观察不仅扰动被测 量的对象，而且还产生它，我们迫使粒子有一个明 确的位置物理学家 J . 惠勒曾做了一个形象的比喻，恰当 的说明了微观粒子在测量前的奇特地位这是一个猜字迷的游戏，通过问答来找出迷底 我走出房门，让其他人留在房内秘密协商，以 就一个难词取得一致意见我被留在房外的时间难 以置信的长当我被允许进去时，我发现每个人都 面带笑容，一种逗趣或谋算的征兆我努力探寻那 个词：它是动物吗？不是它是矿物吗？是的它 是绿色的？不是是白色的？是的这些回答来得 很很快接着答问开始变长了真奇怪，虽然我要求 朋友们的答复”只是一些是或不是的简单问话，答 疑者在回答之前还是想了又想，在是与不是之间犹 豫不决。

最后，我感到逼近迷底了，我只有一次机 会了，我豁出去了，是云吗？回答说，是的每个 人都爆发出大笑，他们向我解释，原先并未约定一 个词，他们一致同意不统一约定一个词，每个人能 尽其所爱回答问题，但有一个要求，即：他心中必 须有一个可与他自己的回答，以及所有已做出的回 答相适应的词这个故事的象征是什么呢？我们曾相信：世界 是独立于任何观察作用而“外在的” 存在的；我们 曾认为原子中的电子每时每刻都具有确定的位置和 确定的动量当我进屋时，我认为屋内有一个确定 的词，实际上这个词是通过我的提问一步一步演化 出来的就像关于电子的信息是被观察者选中要作的实验，即通过他放进的各种记录设备而被带进存 在中一样如果我提出不同的问题，或以不同次序 提同样的问题，就会以不同的词告终，正如实验者 关于电子的行为会由不同的描述而告终一样我把 特定词“云”带进存在之中所具有的能力仅是部分的 ，选择的主要部分存在与房内同伴们的“是”与“不 是”的回答之中类似的，实验者通过选择他要作 的实验（即他向自然将要提的问题）对电子将发生 的行为产生某种实质的影响当然他知道，关于任一次给定的测量将会揭露什么 结果，关于自然会给出什么回答，以及关于上帝掷 骰子时会发生什么，等等，存在一种不可预见性。

量子观察的世界与上述游戏之间的类比是风马牛不 相及，但它们却有一个共同点：在游戏中无字便是 字，除非通过一系列的问与答，将该字变为现实 在实际的量子世界中，任一基本量子现象只有在其 被记录下来之后，才是一种现象波尔的理论似乎将电子及其它量子实体降到相当 抽象的境地，它意味着一个电子或是其它量子客体 都不能说是以其名称在常规意义上的存在但是如 果我们单纯的向前走，并单纯的利用量子力学的规 律，俨如电子是实在的一样；那么，我们似乎仍然得到一些正确的结果，对于一切提的正确的物理问 题，（如一个原子的电子具有多少能量？）我们可 以计算出答案来，并取得与实验相一致的结果涉 及电子的一个典型量子计算，是计算原子激发态的 寿命如果我们知道原子在 t1时刻被激发，那么量 子学能使我们计算其在以后的某时刻 t2 不再处于 激发态的几率因此量子力学向我们提供了关联两 次观察（一次在 t1 时刻，一次在 t2 时刻）的算法 这里，所谓“原子”是作为一种观察模型呈现出来的 ，它能使这个计算方法预示一个具体的结果人们 绝无可能直接在衰变过程中实在的观察到原子，关 于它，我们所知道的一切都包含在对其两个时刻的 能量的观察之中。

显然，除了必须为我们的实际观 察预言获得令人满意的结果之外，我们没有必要就 原子而假设更多的东西由于原子的概念从来就是只 在对它实行观察的实践中才会碰到，所以，不必把 原子视为“实际存在着的”一种独立的东西换句话 说，“原子”只不过是谈论一组关联不同观察的数学 关系的一种方便的方法而已世界的实在性扎根于观察之中，这似乎不中我 们的意，因为在大多数情况下，世界仍然好像它具 有独立存在性那样活动实际上，仅当我们观察量 子现象时，这种印象才显得站不住脚即使在这样 的情形中，许多物理学家在其实际工作中仍继续以 常规意识方式思考着微观世界其原因时所使用的 许多纯抽象数学概念变得为人们所广为熟悉，以至 于他们凭着自身的观念来假设一种虚假的“实在”气氛在经典物理学中也是如此例如能量就是一个 纯抽象的量，它作为一个有用的模型引入到物理学 中，采用这个模型我们可以简化计算你不可能看 见或摸到能量，可能量这个词在日常谈话中竟是如 此之多，以至于人们认为能量是有其自身存在的确 实实体实际上，能量只是以简单的方式将力学过 程中各种观察联系在一起的一组数学关系中的一部 分波尔的哲学启示人们：像电子、光子或原子这 些词，应该按同样的方式来看待——即它们是一些 在我们想象中将实际上只是一组关联各种观察的数 学关系固定起来的模型。

对于波尔的量子力学理论并非所有物理学家都 认同，爱因斯坦就是其中之一2.实在论观点量子力学问世之前，大多数西方科学家认为我 们周围的世界是独立存在的就是说，他是由物体 （如桌子、椅子、行星、原子）组成的这些物体 就是在那里存在着，不管我们是否观察他按照这 种哲学，宇宙是这些独立存在着的物体的集合，他 们和在一起就构成了事物的整体当然，必须承认 ，我们对事物的观察都涉及到某种与它的相互作用 ，这意味着它不可避免的会受到一种干扰 这种干扰被看成只不过是对于是一种具体的和非常 确定的存在的事物的干扰，并原则上可被处理得任 意小，，以至测量之后，我们可以准确得出被观察 的物体所发生的一切我们可以毫不犹豫地说，在 我们观察前后，物体实际上具有一组完全确定的动力 学属性（如位置、动量、能量、自旋）原子、电 子只不过是一些“小东西”，他们与“大东西”之比不 过是尺度的不同，其实在性的地位没有本质上的差 别这个关于世界的图像是令人信服的，它最容易 符合我们对于自然常识理解的图像爱因斯坦称其 为“客观实在”爱因斯坦认为，量子力学是一种不 完全的理论，他认为不确定性不是自然的真实表现 ，而是我们无知的反映。

例如，你今天没上课，我 缺乏你在哪儿的信息，就只能猜，这里就出现了不 确定性波函数不是全部，只要再加上一些信息（ 称为隐变量）就能完全描述粒子的状态1935年爱因斯坦、波多尔斯基、罗孙提出了著 名的 EPR 实验，以证明实在论是唯一的选择以下是简化的EPR方案：考虑中性的π0介子衰变成一个电子与一个正电 子，假定π0介子处于静止状态，电子与正电子飞向 相反的方向因为π0介子自旋为零，所以角动量守 恒要求电子与正电子的自旋方向相反在任一特定 的π0介子衰变中，量子力学不能告诉我们将得到那 种组合，但可告诉我们测量是相关的，平均讲每种 组合的概率是相同的现在假设让电子与正电子分 开 20米（或20光年），然后你测量电子的自旋， 如发现其向上，你立即知道，某人如在检验正电子 将发现其自旋向下按实在论者这里无任何问题， 因为从一开始，电子与正电子就具有确定的自旋 而对波尔理论，在测量前电子即无向上也无向下的 自旋，是测量迫使它具有确定的自旋，并在瞬间“产生”了离开20米（或20光年）正电子的自旋 EPR认为任何像这样的超距作用都十分荒谬， 他们得出结论“正统”的观点是维持不住的，电子与 正电子始终都有确定的自旋，不管量子力学是否计 及它们。

EPR论断的基本假设是没有扰动比光速传 播得快，物理学家把此称为局域性原理EPR实验并不否定量子力学的正确性，但他们 认为量子力学不是物理实在的一个完全描述，波函 数不是全部的故事，还需要有其它的量λ来完全描 述系统的状态， λ叫做隐变量，对于此量目前还无 法计算或是测量它这些年来，已提出了若干隐变 量理论，以补充量子力学在1964年。