量子力學(xué)的多世界解釋_0

1、量子力學(xué)的多世界解釋 量子力學(xué)的多世界解釋 量子力學(xué)的多世界解釋 中 文 摘 要 量子力學(xué)自從誕生以來(lái)關(guān)于其完備性的爭(zhēng)論便一直存在，論文通過(guò)對(duì)量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)和其基本內(nèi)容以及其發(fā)展過(guò)程、發(fā)展現(xiàn)狀的描述引出量子力學(xué)的完備性爭(zhēng)論。繼而通過(guò)以愛(ài)因斯坦為代表的epr一派和以玻爾為代表的哥本哈根一派的爭(zhēng)論，直至50年代初期出現(xiàn)的以玻姆為代表的關(guān)于“隱變量”的描述來(lái)了解各種關(guān)于量子力學(xué)完備性解釋的理論。 在epr一派和哥本哈根一派的解釋之外，1957年休艾弗雷特（hugh everett）提出了量子力學(xué)的多世界解釋?zhuān)嗍澜缃忉尩某霈F(xiàn)為量子力學(xué)解釋的完備性做出了巨大的貢獻(xiàn)，論文通過(guò)多世界解釋的出現(xiàn)、低潮、再次

2、發(fā)展以及發(fā)展壯大的近半世紀(jì)的歷史過(guò)程來(lái)詳細(xì)闡述多世界解釋的核心理論、多世界解釋的意義、科學(xué)界對(duì)多世界解釋的看法以及多世界解釋所存在的缺陷，通過(guò)多世界解釋來(lái)進(jìn)一步加深對(duì)量子力學(xué)解釋完備性的理解與認(rèn)識(shí)。 關(guān)鍵詞：量子力學(xué)的完備性，哥本哈根解釋?zhuān)琫pr佯謬，多世界解釋 第一章 引 言 1.1 課題的背景和意義 量子力學(xué)從產(chǎn)生到現(xiàn)在大約經(jīng)歷了百年的時(shí)間，在這百年之中，它的發(fā)展促使了人類(lèi)社會(huì)和人類(lèi)科學(xué)的進(jìn)步。目前量子力學(xué)相繼應(yīng)用于基本粒子、原子核、原子和分子、固體和液體等各種物理系統(tǒng)，都取得了巨大的成功。最引人注目的就是量子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展，它將徹底改變?nèi)藗兊挠嘘P(guān)計(jì)算的理解。關(guān)于量子信息的前沿研究工作

3、表明，量子力學(xué)的基本概念有可能改變?nèi)藗儗?duì)信息存儲(chǔ)、提取和傳輸過(guò)程的理解。量子力學(xué)不僅是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一，而且在化學(xué)等有關(guān)學(xué)科和許多近代技術(shù)中也得到了廣泛的應(yīng)用。 可以毫不夸張的說(shuō)，xxxx年來(lái)的系列實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步證明哥本哈根解釋確實(shí)有一定的正確性，但是許多令人疑惑的問(wèn)題依然存在。而量子力學(xué)的完備性也一直備受一部分科學(xué)家所詬病，于是在哥本哈根解釋之外，一 量子力學(xué)的多世界解釋 系列其他的理論出現(xiàn)在人們面前。本課題便著重研究量子力學(xué)的一個(gè)重要解釋多世界解釋。我們相信，目前量子力學(xué)的基本理論既不是最終理論，也不會(huì)停留在現(xiàn)有的水平上，它一定會(huì)繼續(xù)深入發(fā)展下去，至于如何發(fā)展，這類(lèi)問(wèn)題應(yīng)在辨證唯物主

4、義指導(dǎo)下，通過(guò)實(shí)踐得以解決。這些問(wèn)題得到了解決，我們社會(huì)將會(huì)發(fā)生更大的變化，我們的生活、工作和學(xué)習(xí)也會(huì)是另一種模式。 1.2 目前量子力學(xué)的主要派別 量子力學(xué)建立初期居于統(tǒng)治地位的是以玻爾、海森伯和波恩為代表的哥本哈根解釋?zhuān)簿椭饕撬麄兊睦碚摌?gòu)成了哥本哈根解釋的大廈，其中是玻爾的“互補(bǔ)理論”、海森伯的“測(cè)不準(zhǔn)原理”和波恩的幾率波解釋。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)的量子力學(xué)教材都是在哥本哈根解釋的基礎(chǔ)上來(lái)講述的。后面我們還將詳細(xì)的講哥本哈根的解釋。到現(xiàn)在，因?yàn)楦绫竟忉尩牟煌陚湫裕诹孔恿W(xué)領(lǐng)域又出現(xiàn)了許多新的學(xué)派，例如：1952年，玻姆提出了隱變量理論，他的理論給波函數(shù)增加了額外的隱變量，從而可以賦予系

5、統(tǒng)的性質(zhì)以確定的值。玻姆認(rèn)為，在量子世界中粒子仍然是沿著一條精確的連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)的，只是這條軌跡不僅由通常的力來(lái)決定，而且還受到一種更微妙的量子勢(shì)的影響。量子勢(shì)由波函數(shù)產(chǎn)生，它通過(guò)提供關(guān)于整個(gè)環(huán)境的能動(dòng)信息來(lái)引導(dǎo)粒子運(yùn)動(dòng)，正是它的存在導(dǎo)致了微觀粒子不同于宏觀物體的奇異的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。在其理論中，粒子與波函數(shù)同時(shí)存在，其中波函數(shù)被看作是一種存在于數(shù)學(xué)空間中的物理場(chǎng)，滿足連續(xù)的薛定諤方程，并且不坍縮，而粒子則由波函數(shù)引導(dǎo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具有確定的位置和速度。 1957年，普林斯頓大學(xué)的研究生艾弗雷特三世（hugh everett ）提出了多世界解釋?zhuān)J(rèn)為正統(tǒng)解釋中的波函數(shù)坍縮是不必要的概念，并重新給出了

6、量子力學(xué)的相對(duì)表述，他還認(rèn)為，由于在復(fù)合系統(tǒng)的疊加態(tài)中，每一個(gè)成員態(tài)包含一個(gè)確定的觀察者態(tài)、一個(gè)具有確定讀數(shù)的測(cè)量?jī)x器態(tài)，以及一個(gè)確定的被測(cè)系統(tǒng)態(tài)，因此作為疊加態(tài)中的每一個(gè)成員態(tài)描述一個(gè)感知到一個(gè)確定結(jié)果的觀察者，對(duì)于這個(gè)觀察者被測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)似乎已經(jīng)被轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的坍縮態(tài)。于是，對(duì)于每一個(gè)由疊加態(tài)中的一個(gè)成員態(tài)所描述的觀察者來(lái)說(shuō)，波函數(shù)坍縮似乎已經(jīng)在一個(gè)主觀水平上發(fā)生，而他只感知到一個(gè)結(jié)果1。其它的關(guān)于量子力學(xué)的解釋還有一致歷史、修正的量子動(dòng)力學(xué)等解釋。 1997年8月，在美國(guó)馬里蘭大學(xué)舉行的量子力學(xué)討論會(huì)上，物理學(xué)家們對(duì)他們認(rèn)可的量子力學(xué)解釋進(jìn)行了投票，結(jié)果如下： 表1-1.量子力學(xué)97年投票

7、情況 量子力學(xué)解釋 投票數(shù) 量子力學(xué)的多世界解釋 續(xù)表1-1.量子力學(xué)97年投票情況 3）哥本哈根解釋 4）多世界解釋 5）隱變量解釋 6）其他解釋?zhuān)òㄎ礇Q定者） 1999年7月，在劍橋的牛頓研究所舉行了一次關(guān)于量子計(jì)算的會(huì)議，其間人們對(duì)量子力學(xué)解釋再一次進(jìn)行投票表決，結(jié)果如下： 13 8 4 23 表1-2.量子力學(xué)99年投票情況 量子力學(xué)解釋 投票數(shù) 1）多世界解釋 2）哥本哈根解釋 3）修正的量子動(dòng)力學(xué) 4）隱變量解釋 5）其他解釋?zhuān)òㄎ礇Q定者） 很多物理學(xué)家認(rèn)為多世界解釋是目前最好的解釋?zhuān)谙依碚摷?、量子引力和量子宇宙學(xué)中最受歡迎，相信它的著名物理學(xué)家有霍金、費(fèi)曼、蓋爾曼和溫伯格等

8、。每一種解釋都有它合理的地方，但限于目前的科研條件、研究狀況，還不能說(shuō)明哪種是正確的，而哪一種是錯(cuò)誤的。 當(dāng)前美國(guó)著名物理學(xué)家玻姆等人所主張的量子力學(xué)的隱參量解釋?zhuān)彩且粋€(gè)相當(dāng)活躍的研究領(lǐng)域，許多科學(xué)家一直在通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)隱參量理論的正確性，也許將來(lái)有一天，在實(shí)驗(yàn)上得到突破，證明隱參量確實(shí)存在，可想而知，這將對(duì)量子力學(xué)又是一場(chǎng)革命。 30 4 4 2 50 量子力學(xué)的多世界解釋 量子力學(xué)是一門(mén)新興的學(xué)科，它的發(fā)展只不過(guò)經(jīng)歷了大約百年的時(shí)間，它已經(jīng)有了一定的理論體系，但是，還有許多問(wèn)題還沒(méi)有得到很好的解決，還存在著很多爭(zhēng)論。從目前量子力學(xué)多種解釋的并存現(xiàn)狀也可以看出量子理論還有待進(jìn)一步發(fā)展、完善

9、。我們總觀科學(xué)的發(fā)展史可見(jiàn)，無(wú)論是社會(huì)科學(xué)還是自然科學(xué)，當(dāng)它遇到難以解決的困難時(shí)，往往會(huì)把問(wèn)題上升到哲學(xué)的高度來(lái)考慮，就像我們這篇論文討論的有關(guān)量子力學(xué)爭(zhēng)論中的哲學(xué)問(wèn)題一樣。從哲學(xué)的角度考慮這些難以解決的問(wèn)題，會(huì)使社會(huì)科學(xué)、自然科學(xué)和哲學(xué)相互推動(dòng)，共同發(fā)展。 第二章 早期關(guān)于量子力學(xué)解釋的爭(zhēng)論 2.1 量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展 19世紀(jì)末xxxx年是量子力學(xué)的醞釀時(shí)期，此時(shí)的量子力學(xué)是半經(jīng)典半量子的學(xué)說(shuō)，稱(chēng)為舊量子論。量子力學(xué)就是在舊量子論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。舊量子論包括普朗克的量子假說(shuō)、愛(ài)因斯坦的光量子理論和玻爾的原子理論。 舊量子論開(kāi)始于德國(guó)物理學(xué)家普朗克對(duì)黑體輻射的研究。黑體輻射是1900年

10、經(jīng)典物理所無(wú)法解決的幾個(gè)難題之一。舊理論導(dǎo)出的黑體輻射譜會(huì)產(chǎn)生發(fā)散困難，與實(shí)驗(yàn)不符。普朗克于是提出“能量子”概念，認(rèn)為黑體由大量振子組成，每個(gè)振子的能量是振子頻率的整數(shù)倍，這樣導(dǎo)出的黑體輻射譜與實(shí)驗(yàn)完全符合?！澳芰孔印笔切碌母拍睿砻魑⒂^系統(tǒng)的能量有可能是間隔的、跳躍式的，這與經(jīng)典物理完全不同，普朗克因此就這樣吹響了新的物理征程的號(hào)角，這成為近代物理的開(kāi)端之一3。 1905年，愛(ài)因斯坦利用能量子的概念成功地解釋了光電效應(yīng)。 1912年，玻爾根據(jù)普朗克的量子論、愛(ài)因斯坦的光子學(xué)說(shuō)以及盧瑟福的原子行星式結(jié)構(gòu)模型，成功地導(dǎo)出了氫原子光譜線位置所滿足的公式，從這以后掀起了研究量子論的熱潮。 1924

11、年，法國(guó)人德布羅意根據(jù)光的波粒二象性理論、相對(duì)論及玻爾理論，推斷認(rèn)為一般實(shí)物粒子也應(yīng)具有波動(dòng)性，提出了物質(zhì)波的概念。 量子力學(xué)的多世界解釋 德布羅意波由愛(ài)因斯坦通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，1926年奧地利學(xué)者薛定諤建立了量子力學(xué)的波動(dòng)方程。與此同時(shí)，受玻爾對(duì)應(yīng)原理和并協(xié)原理影響的德國(guó)青年海森堡提出了與薛定諤波動(dòng)力學(xué)等價(jià)但形式不同的矩陣力學(xué)，也能成功地解釋原子光譜問(wèn)題。矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)統(tǒng)稱(chēng)量子力學(xué)，量子力學(xué)就這樣正式誕生。 2?x，y，z?8?2m/h2?e?u?x，y，z?x，y，z?0 (2.1) xp?h/4? (2.2) te?h/4?其中x為位置的不確定性,p為動(dòng)量的不確定性,t為時(shí)間的不確定

12、性,e為能量的不確定性,h為普朗克常數(shù)。 量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)對(duì)物質(zhì)的描述有根本區(qū)別。量子力學(xué)認(rèn)為“粒子軌道”概念是沒(méi)有意義的，因?yàn)槲覀儾豢赡芡瑫r(shí)確定一個(gè)粒子的動(dòng)量和位置，我們能知道的就是粒子在空間出現(xiàn)的幾率。量子力學(xué)用波函數(shù)和算符化的力學(xué)量取代過(guò)去的軌道和速度等概念，將不可對(duì)易代數(shù)引進(jìn)了物理。19世紀(jì)xxxx年代后期狄拉克建立了狄拉克方程，狄拉克方程成為量子力學(xué)最有名的方程之一。狄拉克方程式的形式如下： ih?(x,t) 1?(?m)?(x,t) （2.3） ?ti其中m是自旋-?粒子的質(zhì)量，x與t分別是空間和時(shí)間的座標(biāo)。 狄拉克還將電磁場(chǎng)量子化，從理論上證實(shí)了1905年愛(ài)因斯坦的光子學(xué)說(shuō)的最重要觀點(diǎn)光是由光子組成的。作為一個(gè)體系，量子力學(xué)的建立大致在xxx