二象性的迷惑

1、3.6 The Great puzzle of duality 二象性的迷惑3.6.1 波粒二象性(wave-particle duality)輻射有時(shí)表現(xiàn)波的現(xiàn)象，有時(shí)表現(xiàn)粒的現(xiàn)象 物質(zhì)有時(shí)表現(xiàn)粒的現(xiàn)象，有時(shí)表現(xiàn)波的現(xiàn)象。波的理論與粒的理論在古典物理裡不相容一一前者的能量分散,後者的能量集中；前者的能量傳播是利用場(chǎng)，後者的能量傳播是粒子自行攜帶。到底輻射與物質(zhì)是粒還是波？各家的說法大要年代物理學(xué)家說法1909Ein stei n亦波亦粒。1924de Broglie粒伴波包，波包導(dǎo)粒。1926Schr?d in ger波演命定，有波無粒。1926Born波表機(jī)運(yùn)，粒隨機(jī)現(xiàn)。1927Heise

2、 nberg共軛變量不能兩確。粒非常粒，波非常波。1927Bohr測(cè)波得波，測(cè)粒得粒；不測(cè)不知，波粒相成。Heisenberg的不兩確原理(uncertainty principle), Bohr 的相成原理(complementarity principle), 加上 Born 的統(tǒng)計(jì)詮釋(statistical interpretation) 共同構(gòu)成所謂哥本哈根詮釋(Copenhagen interpretation ,迄今為物理界大多數(shù) 人接受。3.6.3 Heise nberg ' s un certa inty prin cip不兩確原理(或稱 in determ inac

3、y prin ciple 或unknowability principle，一般譯測(cè)不準(zhǔn)原理或不確知原理)想像實(shí)驗(yàn)(thought experiment, gedankenexperiment,或 imaginary experiment): 根據(jù)理論 的虛擬實(shí)驗(yàn)，其設(shè)想目的在闡明理念。歷史上一些著名的想像實(shí)驗(yàn)：年份物理學(xué)家主題闡明理念1638Galileofree fall地面無礙落體加速度為常數(shù)1687Newt onprojectile upon earth地球上落體與天上物體依照同樣力學(xué)律1867MaxwellMaxwell "sdemon澄清溫?zé)釋W(xué)第二律的意涵1905Ein

4、stei nmoving train & ground說明狹義相對(duì)論裡的各種關(guān)係1908Ein stei naccelerat ing elevator重力作用與加速系統(tǒng)的等效原理1911Lan gev intwin paradox澄清狹義相對(duì)論裡的時(shí)間膨脹效應(yīng)1927Heise nbergYray microscope位置與動(dòng)量的不兩確原理1930Ein ste in/Bohrclock on a spri ng-bala nee質(zhì)疑/澄清能量與時(shí)間的不兩確原理1935Schr?d in gerSchr?d in ger'scat凸顯哥本哈根詮釋不適用於常觀世界1935Ein

5、 stei n/P/Rbi-particle decay質(zhì)疑同源系統(tǒng)的越地糾葛1962Feynmanelectro n double slit diff.說明同調(diào)相干性會(huì)因觀察而消失設(shè)一單維波包的大小為 Ax,從Fourier transform可證:：x .k _ 2：。AxHeise nberg於1927年用兩個(gè)想像實(shí)驗(yàn)說明粒子位置與動(dòng)量?jī)闪坎荒芡瑫r(shí)確知: 丫射線顯微儀 設(shè)電子在x方向的不確值為 x，丫射線的波長(zhǎng)為 入經(jīng)Compton散射後看到光元的角度不確值為6 =光元，因而電子在x方向動(dòng)量的不確值Px : 2psi- 2hsi。但依據(jù)光學(xué)，顯微鏡的扎解像本領(lǐng)嘆sin 2：x ：Px :

6、 h位置與動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)！假設(shè)要測(cè)準(zhǔn)位置，必須 波長(zhǎng)短；但波長(zhǎng)愈短的光，其每個(gè)光元的能量愈大，對(duì)被測(cè)量之電子影響也愈大。) 電子單狹縫衍射P-P，J用/slit of width aRobservation 廠 ficiren在狹縫處，電子在y方向的不確 值_ y a。經(jīng)狹縫衍射後，電 子可能沿B方向到達(dá)螢?zāi)?，因?y方向的動(dòng)量不確值cpy> ps in v - h si nr。但據(jù)波的 h衍射關(guān)係，=asinr，也y込py常h。寸為確定電子的位-置，必須使狹縫窄；但狹縫愈窄，衍射的角度愈寬，也就愈不能確知電子y方向的動(dòng)量進(jìn)一步，Heisenberg說明電磁波的電場(chǎng)與磁場(chǎng)不能兩確:-E

7、xHz -一I'是測(cè)量空間的大小。he24 ，etC.， l總之：粒非常粒，波非常波。 引伸到一系統(tǒng)的能量與其生存時(shí)間的關(guān)係:.：E ：t : h生存時(shí)間愈短，能量愈不能確知。換言之，能量守恆在短時(shí)間裡不適用，例 如在虛過程中。宏觀世界的例子：削尖倒立的鉛筆最長(zhǎng)多久會(huì)倒下？撞球最多能預(yù)測(cè)撞到幾個(gè)球？ 一物理量不能與其共軛量同時(shí)確知。於是：(一)物理理論不能同時(shí)包括兩 共軛量。(二)古典物理裡的命定說(determinism)，因果律(causality)不成立。3.6.4 Bohr' s complementayiand Physicists 'New Concepti

8、on of Nature 說明電子的雙狹縫衍射 在狹縫處是一種測(cè)量，在打到屏幕上是另一種測(cè)量。在兩測(cè)量之間：(1) 不可能是普通觀念的粒假設(shè)是粒，則不會(huì)出現(xiàn)干預(yù)條紋。(2) 不可能是普通觀念的波假設(shè)是波，則能量分散，不會(huì)使底片感光。感光相當(dāng)於波包的瞬時(shí)縮減(reduction of wave packet)。那到底是什麼？ Bohr:物理學(xué)家只研究可觀測(cè)量observables間的關(guān)係。假設(shè)不測(cè)量，不必 答復(fù)！ 波與粒皆是人的概念human concept。 測(cè)量會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不可控制之干擾uncontrollable disturbanceS。系統(tǒng)可表現(xiàn)波的現(xiàn)象，也可表現(xiàn)粒的現(xiàn)象，但不是波也不

9、是粒。用測(cè)量 波的方法則得波的現(xiàn)象，用測(cè)量粒的方法則得粒的現(xiàn)象，並不矛盾。波現(xiàn)象與粒現(xiàn)象相輔相成互補(bǔ)，complementarity。這一套新的說法與古典物理大異其趣，但仔細(xì)分析，並無矛盾。根本上是改變了過去客觀實(shí)在objective physical reality 的觀點(diǎn)。Bohr: We areboth spectators and actors in thgreat drama of existe nee.Cope nhagen in terpretation與古典物理觀的比較:觀念哥本哈根詮釋古典物理觀物理量量兀h疋一不可分割的量。皆為連續(xù)。知知即測(cè)。 To know is to m

10、easure.知與測(cè)量是兩回事。觀測(cè)測(cè)即擾。To measure is to disturb. 人是觀參者 observer-participant理想的測(cè)量可使干擾忽略。 人可盡量做到客觀。波與粒:波現(xiàn)象與?，F(xiàn)象互補(bǔ)相成。波疋波，粒疋粒，不能混為 談。因果性互補(bǔ)觀 complementarity:時(shí)空 描述與因果性不兩立。在時(shí)空裡的過程有因果性。命與運(yùn)機(jī)運(yùn)觀 probabilistic description命定觀 deterministic description分與成整體觀holism organic whole成分觀 mechanical composition時(shí)空只是描述工具一方便說

11、法。作為描述的基底。事件有越地性non-locality。事件有侷地性locality?；蛉慌c統(tǒng)計(jì)或然是本性。數(shù)目多時(shí)須用統(tǒng)計(jì)法。客觀實(shí)在無從知悉客觀的實(shí)在。有客觀的實(shí)在。根本物理量動(dòng)量、能量、角動(dòng)量時(shí)刻、位置、速度 Bohr-Ei nstei n discussi on /debate on the epistemology of qua ntum theory年份主題結(jié)果1905Ein stein提出光量兀假說解釋光電效應(yīng)1913Bohr提出原子放光的頻率條件解釋氫原子光譜1922兩人一同領(lǐng)諾貝爾獎(jiǎng)Einstein 1921延後一年領(lǐng)，Bohr 19221925Heise nberg提出量

12、子力學(xué)Bohr 接受，Einstein 存疑1927第五屆Solvay Conference兩人辯論Bohr佔(zhàn)上風(fēng)1930第六屆Solvay Conference兩人再辯論Bohr以子之矛攻子之盾1935Eistein等三人的論文提出Ein stei n-Podolsky-Rose n ParadoxEi nstei n承認(rèn)量子力學(xué)不矛 盾，但認(rèn)為不完備consistent but in complete。1964Bell提出一不等式，可用以驗(yàn)證誰(shuí)是 誰(shuí)非。右不等式成立則Ein stein是， 右不等式受到違犯，則Bohr是。1981Aspect的級(jí)聯(lián)雙光子放射實(shí)驗(yàn)證明分隔兩地的同源雙光子 有糾葛，Bell不等式受違犯。36