量子力學(xué)與哲學(xué)教學(xué)提綱

1、量子力學(xué)與哲學(xué)從楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)說(shuō)起這個(gè)實(shí)驗(yàn)最早是在1801年被一個(gè)叫做托馬斯楊的英國(guó)醫(yī)生（同時(shí)他也是一個(gè)物理學(xué)家）做出來(lái)的，他當(dāng)時(shí)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是為了向世人證明光是一種波而不是一種微粒，這個(gè)實(shí)驗(yàn)非常有力地證明了光具有波才具備的自我干涉性質(zhì)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在的高中物理都要做，下面就是楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的圖示： 這個(gè)實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始并沒(méi)有引起物理界多么巨大的轟動(dòng)效應(yīng)，但是隨著人們對(duì)光、原子、電子的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始逐步引起越來(lái)越多的物理學(xué)家的關(guān)注，直到最后引發(fā)了空前的全“民”大討論，整個(gè)物理學(xué)界開(kāi)始為這個(gè)實(shí)驗(yàn)抓狂，使得這個(gè)實(shí)驗(yàn)在它被發(fā)現(xiàn)的100多年后再次成為了整個(gè)物理學(xué)的中心，甚至成了現(xiàn)代量子物理學(xué)開(kāi)端

2、的標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)，大物理學(xué)家費(fèi)因曼寫道：“雙縫實(shí)驗(yàn)包含量子物理學(xué)的所有秘密?！绷孔邮澜缌孔邮澜缡裁词橇孔游锢韺W(xué) 我們把量子物理學(xué)科學(xué)家們?cè)谘芯吭?、分子、原子核、基本粒子時(shí)所觀察到的關(guān)于微觀世界的系列特殊的物理現(xiàn)象稱為量子現(xiàn)象。 量子世界除了其線度極其微小之外（10-1010-15m量級(jí)），另一個(gè)主要特征是它們所涉及的許多宏觀世界所對(duì)應(yīng)的物理量往往不能取連續(xù)變化的值，（如：坐標(biāo)、動(dòng)量、能量、角動(dòng)量、自旋），甚至取值不確定。許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，量子世界滿足的物理規(guī)律不再是經(jīng)典的牛頓力學(xué)，而是量子物理學(xué)。量子物理學(xué)是當(dāng)今人們研究微觀世界的理論，也有人稱為研究量子現(xiàn)象的物理學(xué)。 量子物理學(xué)的價(jià)值量子物理學(xué)

3、的價(jià)值 20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展表明，量子物理是人們認(rèn)識(shí)和理解微觀世界的基礎(chǔ)。量子物理和相對(duì)論的成就使得物理學(xué)從經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代物理學(xué)，奠定了現(xiàn)代自然科學(xué)的主要基礎(chǔ)。 當(dāng)然，隨著物理學(xué)和其它自然科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)的逐步深化，量子物理學(xué)也會(huì)進(jìn)一步地豐富和發(fā)展。至今為止、量子力學(xué)的某些基本觀念和哲學(xué)意義，科學(xué)家們?nèi)匀焕^續(xù)爭(zhēng)論不休，這是一門科學(xué)在走向成熟過(guò)程中的一個(gè)必經(jīng)的階段。 量子力學(xué)的發(fā)展經(jīng)典物理學(xué)經(jīng)歷了上百年的發(fā)展，到19世紀(jì)末，已建立了非常完善的理論。開(kāi)爾文在一篇名為在熱和光動(dòng)力理論上空的19世紀(jì)烏云中講到：“動(dòng)力學(xué)理論斷言，熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式。但現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩

4、朵烏云遮蔽，顯得黯然失色了。邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)與“以太”說(shuō)破滅 黑體輻射與“紫外災(zāi)難” 相對(duì)論相對(duì)論量子論量子論量子力學(xué)發(fā)展史1900年，普朗克提出了量子化假說(shuō)，成功的解釋了黑體輻射問(wèn)題1905年，愛(ài)因斯坦將量子化概念明確為光子化概念，并解釋了光電效應(yīng)。同年創(chuàng)立了狹義相對(duì)論1913年，玻爾提出了原子結(jié)構(gòu)的量子化理論（舊量子論)量子力學(xué)發(fā)展史1925年，海森伯建立了量子力學(xué)的“矩陣形式”。1924年，德布羅意提出了“物質(zhì)波”的思想。1927年，戴維森和革未的電子衍射實(shí)驗(yàn)證明了德布羅意的猜想。同年，海森伯提出了測(cè)不準(zhǔn)原理。不確定性原理 不確定性原理，又稱“測(cè)不準(zhǔn)原理”、“不確定性關(guān)系”，是量子力學(xué)的

5、一個(gè)基本原理，由德國(guó)物理學(xué)家海森伯于1927年提出。 海森伯在創(chuàng)立矩陣力學(xué)時(shí)，對(duì)形象化的圖像采取否定狀態(tài)。但他在表述中仍需要“坐標(biāo)”、“速度”之類的詞匯，這些詞匯已不再等同于經(jīng)典理論中的那些詞匯。為解釋這些詞匯坐標(biāo)的新物理意義，海森伯抓住云室實(shí)驗(yàn)中觀察電子徑跡的問(wèn)題進(jìn)行思考。他意識(shí)到電子軌道本身的提法有問(wèn)題，人們看到的徑跡并不是電子的真正軌道，而是水滴串形成的霧跡，水滴遠(yuǎn)比電子大，所以人們也許只能觀察到一系列電子的不確定的位置，而不是電子工業(yè)的準(zhǔn)確軌道。因此，在量子力學(xué)中，一個(gè)電子只能以一定的不確定性處于某一位置，同時(shí)也只能以一定的不確定性具有某一速度。可以把這些不確定性限定在最小范圍內(nèi)，但不

6、能等于零。這就是海森伯對(duì)不確定性的最初思考。海森伯的測(cè)不準(zhǔn)原理是通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)來(lái)論證的，他還通過(guò)對(duì)確定原子磁矩的斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的分析得出結(jié)論：能量的準(zhǔn)確測(cè)定如何，只有靠相應(yīng)的對(duì)時(shí)間的測(cè)不準(zhǔn)量才能得到。不確定性原理 海森伯的測(cè)不準(zhǔn)原理得到了玻爾的支持，但玻爾不同意他的推理方式，認(rèn)為他建立測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系所用的基本概念有問(wèn)題。于是提出了互補(bǔ)原理。他指出，平時(shí)大家總認(rèn)為可以不必干涉所研究的對(duì)象，就可以觀測(cè)該對(duì)象，但從量子理論看來(lái)卻不可能，因?yàn)閷?duì)原子體系的作何觀測(cè)，都將涉及所觀測(cè)的對(duì)象在觀測(cè)過(guò)程中已經(jīng)有所改變，因此不可能有單一的定義，平常所謂的因果性不復(fù)存在。對(duì)經(jīng)典理論來(lái)說(shuō)互相排斥的不同性質(zhì)在量子理論中形

7、成了互相補(bǔ)充的一些側(cè)面。波粒二象性正是互補(bǔ)性的一個(gè)重要表現(xiàn)。其他量子力學(xué)結(jié)論也可從這里得到解釋。 長(zhǎng)久以來(lái)，不確定性原理與另一種類似的物理效應(yīng)（稱為觀察者效應(yīng)）時(shí)常會(huì)被混淆在一起。觀察者效應(yīng)指出，對(duì)于系統(tǒng)的測(cè)量不可避免地會(huì)影響到這系統(tǒng)。為了解釋量子不確定性，海森堡的表述所援用的是量子層級(jí)的觀察者效應(yīng)。之后，物理學(xué)者漸漸發(fā)覺(jué)，肯納德的表述所涉及的不確定性原理是所有類波系統(tǒng)的內(nèi)秉性質(zhì)，它之所以會(huì)出現(xiàn)于量子力學(xué)完全是因?yàn)榱孔游矬w的波粒二象性，它實(shí)際表現(xiàn)出量子系統(tǒng)的基礎(chǔ)性質(zhì)，而不是對(duì)于當(dāng)今科技實(shí)驗(yàn)觀測(cè)能力的定量評(píng)估。在這里特別強(qiáng)調(diào)，測(cè)量不是只有實(shí)驗(yàn)觀察者參與的過(guò)程，而是經(jīng)典物體與量子物體之間的相互作用

8、，不論是否有任何觀察者參與這過(guò)程。 薛定諤之貓 把一只貓放進(jìn)一個(gè)不透明的盒子里，然后把這個(gè)盒子連接到一 個(gè)包含一個(gè)放射性原子核和一個(gè)裝有有毒氣體的容器的實(shí)驗(yàn)裝置。 設(shè)想這個(gè)放射性原子核在一個(gè)小時(shí)內(nèi)有50%的可能性發(fā)生衰 變。如果發(fā)生衰變，它將會(huì)發(fā)射出一個(gè)粒子，而發(fā)射出的這個(gè)粒 子將會(huì)觸發(fā)這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，打開(kāi)裝有毒氣的容器，從而殺死這只 貓。根據(jù)量子力學(xué)，未進(jìn)行觀察時(shí)，這個(gè)原子核處于已衰變和未 衰變的疊加態(tài)，但是，如果在一個(gè)小時(shí)后把盒子打開(kāi)，實(shí)驗(yàn)者只 能看到“衰變的原子核和死貓”或者“未衰變的原子核和活貓”兩種情 況。 量子理論認(rèn)為：如果沒(méi)有揭開(kāi)蓋子，進(jìn)行觀察，我們永遠(yuǎn)也不知道雌貓是死是活，她將永

9、遠(yuǎn)到處于半死不活的疊加態(tài)。這與我們的日常經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重相違，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活？ 這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)的巧妙之處，在于通過(guò)“檢測(cè)器原子毒藥瓶”這條因果鏈，似乎將鈾原子的“衰變未衰變疊加態(tài)”與貓的“死活疊加態(tài)”聯(lián)系在一起，使量子力學(xué)的微觀不確定性變?yōu)楹暧^不確定性；微觀的混沌變?yōu)楹暧^的荒謬貓要么死了，要么活著，兩者必居其一，不可能同時(shí)既死又活！難怪英國(guó)著名科學(xué)家霍金聽(tīng)到薛定諤貓佯謬時(shí)說(shuō)：“我去拿槍來(lái)把貓打死！ 薛定諤挖苦說(shuō)：按照量子力學(xué)的解釋，箱中之貓?zhí)幱凇八阑畀B加態(tài)”既死了又活著！要等到打開(kāi)箱子看貓一眼才決定其生死。（請(qǐng)注意！不是發(fā)現(xiàn)而是決定，僅僅看一眼就足以致命?。┱窆防滋赝踝铀?/p>

10、說(shuō)：“是死，還是活，這可真是一個(gè)問(wèn)題?！敝挥挟?dāng)你打開(kāi)盒子的時(shí)候，疊加態(tài)突然結(jié)束（在數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)就是“坍縮（collapse）”），哈姆雷特王子的猶豫才終于結(jié)束，我們知道了貓的確定態(tài)：死，或者活。哥本哈根的幾率詮釋的優(yōu)點(diǎn)是：只出現(xiàn)一個(gè)結(jié)果，這與我們觀測(cè)到的結(jié)果相符合 只有當(dāng)你打開(kāi)盒子觀察的一瞬間，疊加態(tài)突然結(jié)束（坍縮），我們才確定貓是死還是活。哥本哈根的幾率詮釋的優(yōu)點(diǎn)是與我們觀測(cè)的結(jié)果一致，因?yàn)樽罱K只出現(xiàn)一個(gè)結(jié)果。但是這種解釋要求波函數(shù)突然坍縮。然而物理學(xué)中沒(méi)有公式可以描述這種坍縮，而且這種瞬時(shí)的坍縮正如前面所提及的，和相對(duì)論不符。而且其付出的代價(jià)就是違反了薛定諤方程。 正統(tǒng)詮釋認(rèn)為對(duì)于量子世界不要

11、相信我們的常識(shí)而要相信我們觀察到的結(jié)果。如果不進(jìn)行測(cè)量我們不就不知道箱子里面發(fā)生了什么。所以貓是死是活哥本哈根學(xué)學(xué)派并不在意，他們只關(guān)心測(cè)量。他們認(rèn)為貓?zhí)幱诏B加態(tài)中的哪一態(tài)沒(méi)有意義。 還有一個(gè)令正統(tǒng)派感到困惑的地方，盒子里的貓是如何從又死又活的狀態(tài)突然坍縮到或死或活的狀態(tài)。 海森堡認(rèn)為只有觀察者即（“人”）才能讓波函數(shù)坍縮，從而把貓從又死又活的疊加態(tài)中解放出來(lái)。也就是說(shuō)只有觀察者的“上帝之眼”才能讓波函數(shù)坍縮。但是波爾不同意海森堡的觀點(diǎn)，波爾認(rèn)為測(cè)量只需要經(jīng)典儀器就行了，和觀察者沒(méi)有關(guān)系。于是引出了誰(shuí)才有資格成為“觀察者”的問(wèn)題。 1957年艾弗瑞特提出“多世界”是對(duì)薛定諤的貓的另一種詮釋，這

12、種詮釋認(rèn)為活著的貓和死了的貓同時(shí)存在，是一種平行宇宙的詮釋。它的優(yōu)先是薛定諤方程始終成立，波函數(shù)從不坍縮，從而簡(jiǎn)化了基本理論。也使薛定諤的貓有一個(gè)類似滿意的解釋。 薛定諤之貓量子力學(xué)中的哲學(xué)意義 其實(shí)不光我們，就是這些理論的創(chuàng)始人也不十分清楚這一原理的真正含義。但他們?cè)趯?duì)這一原理解釋基礎(chǔ)上所作出的哲學(xué)論斷，對(duì)唯物主義產(chǎn)生了極大的沖擊。有量子力學(xué)“教父”之稱的大科學(xué)家玻爾說(shuō)：“通過(guò)普適作用量子的發(fā)現(xiàn)，觀察問(wèn)題以一種出人意料的方式被提到了重要的地位；作用量子表示著原子過(guò)程中的一種整體性特點(diǎn)，該特點(diǎn)使人無(wú)法分辨現(xiàn)象的觀察和客體的獨(dú)立行為，而這種分辨是機(jī)械自然觀的特征。”這一原理的最初提出者海森堡更是

13、大膽，他說(shuō)：“唯物主義本體論依靠的是一個(gè)錯(cuò)覺(jué)，即我們周圍的世界存在的直接實(shí)在性能夠延伸到原子領(lǐng)域?？墒?，這種延伸是不可能的”。他的言下之意就是說(shuō)，在微觀世界里是不存在所謂的客觀實(shí)在的物質(zhì)的，象電子、質(zhì)子這些微觀粒子只是由于人們的測(cè)量才存在的，沒(méi)有人們的意識(shí)的作用（即測(cè)量），它們是不存在的。測(cè)不準(zhǔn)原理創(chuàng)始人的這種看法引起了其他唯心主義者的積極相應(yīng)：科學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)把人們直觀上覺(jué)得可靠的常識(shí)理論證偽了；電子（或其他微觀粒子及其性質(zhì)）是不依賴于人的觀察的獨(dú)立客體的哲學(xué)論斷站不住腳。 唯物主義告訴我們：物質(zhì)是不依賴于人的意識(shí)的客觀存在；時(shí)間的本質(zhì)是物質(zhì)而不是意識(shí)；先有物質(zhì)后有意識(shí)；意識(shí)只不過(guò)是物質(zhì)在人腦中

14、的客觀反映而已。這些都是正確的觀念。然而隨著二十世紀(jì)自然科學(xué)的發(fā)展，尤其是人們?cè)谔剿魑⒂^世界發(fā)現(xiàn)了新的規(guī)律，被某些唯心主義者引用來(lái)向唯物主義的基本觀點(diǎn)發(fā)難。其中倍受爭(zhēng)議的是著名物理學(xué)家海森堡的“測(cè)不準(zhǔn)原理”。 在哲學(xué)上，繼狹義相對(duì)論確立電磁場(chǎng)實(shí)在性，廣義相對(duì)論確立引力場(chǎng)實(shí)在性之后，量子力學(xué)確立了更具普遍性的量子場(chǎng)實(shí)在論。量子場(chǎng)是宇宙最基本的物理實(shí)在，是第一性的，實(shí)物粒子是第二性的。量子場(chǎng)的能量最低狀態(tài)是真空，具有零點(diǎn)能；量子場(chǎng)的激發(fā)態(tài)則表現(xiàn)為粒子。微觀粒子沒(méi)有經(jīng)典物理學(xué)描述的物質(zhì)實(shí)體的那種定域-決定論的實(shí)在性，相反，只有非定域-非決定論的實(shí)在性。微觀粒子是具有疊加態(tài)的波函數(shù)，秉有波粒二象性，還

15、有非定域的瞬時(shí)遠(yuǎn)程關(guān)聯(lián)，不可能同時(shí)測(cè)定；特定的測(cè)量語(yǔ)境造成波函數(shù)坍縮，它才顯露出某種本征態(tài)。二十世紀(jì)的量子場(chǎng)實(shí)在論證明，宇宙的終極實(shí)在，不像德謨克里特講的而更像畢達(dá)哥拉斯和柏拉圖講的，是用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的波函數(shù)和幾率波顯示的各種圖形。 量子力學(xué)中的哲學(xué)意義 認(rèn)識(shí)論上量子力學(xué)給我們提供了寶貴的教益：認(rèn)識(shí)是主體和客體相互作用的整體行為和認(rèn)知系統(tǒng)的整體產(chǎn)物，我們不可能將主體干擾完全排除在外而獲得一種純粹客觀和全面的認(rèn)識(shí)，這導(dǎo)致承認(rèn)主體間性或多主體性，承認(rèn)認(rèn)識(shí)的互補(bǔ)性，承認(rèn)透視論優(yōu)于反映論。除了鏡像和照相這類現(xiàn)象界的表面和直觀的反映，人類對(duì)微觀世界和宏觀世界本質(zhì)性的認(rèn)識(shí)，都是個(gè)人從他的種族的、文化的、時(shí)

16、代的、階級(jí)的、心理的、利益的，甚至個(gè)性的視角出發(fā)做出的建構(gòu)。量子力學(xué)不過(guò)是以一種最簡(jiǎn)單明了的方式向我們宣示這樣一條認(rèn)識(shí)論原理：科學(xué)家們無(wú)論如何不可能排除實(shí)驗(yàn)裝置的限制和測(cè)量光線的干擾而獲得微觀粒子的客觀圖像。既然我們知道在自然科學(xué)當(dāng)中尚且如此，那我們就最好不要在哲學(xué)和社會(huì)科學(xué)當(dāng)中繼續(xù)宣揚(yáng)什么純粹的“客觀真理”了。 量子力學(xué)還告訴我們，主體尤其不能客觀和全面地認(rèn)識(shí)自己，試看“光”。我們?nèi)祟惪偸墙柚肮狻闭J(rèn)識(shí)各種客觀存在的東西，可是無(wú)法借助“光”客觀和全面地認(rèn)識(shí)“光”自己?？梢哉f(shuō)“光不能認(rèn)識(shí)光自己”，因?yàn)樗偸前l(fā)生自我干擾；由此可以推論“人不能認(rèn)識(shí)自己”，也會(huì)發(fā)生自我干擾。難怪在古希臘德?tīng)柗频陌⒉?/p>

17、羅神廟雋刻著一句箴言，被希臘人奉為神諭：“認(rèn)識(shí)你自己！” 中國(guó)古代哲人老子在道德經(jīng)第三十三章也寫道：“知人者智也，自知者明也?！睋?jù)此形成一句寶貴的格言“人貴有自知之明”。 量子力學(xué)中的哲學(xué)意義 一般而言，量子力學(xué)并不對(duì)一次觀測(cè)預(yù)言一個(gè)單獨(dú)的確定結(jié)果。代之，它預(yù)言一組不同的可能發(fā)生結(jié)果，并告訴我們沒(méi)個(gè)結(jié)果出現(xiàn)的概率。也就是說(shuō)，如果我們對(duì)大量的類似的系統(tǒng)作同樣的測(cè)量，每一個(gè)系統(tǒng)以同樣的方式起始，我們將會(huì)找到測(cè)量的結(jié)果為A出現(xiàn)一定的次數(shù)，為B出現(xiàn)另一不同的次數(shù)等等。人們可以預(yù)言結(jié)果為A或B的出現(xiàn)的次數(shù)的近似值，但不能對(duì)個(gè)別測(cè)量的特定結(jié)果作出預(yù)言。因而量子力學(xué)為科學(xué)引進(jìn)了不可避免的非預(yù)見(jiàn)性或偶然性。盡管愛(ài)因斯坦在發(fā)展這些觀念時(shí)起了很大作用，但他非常強(qiáng)烈地反對(duì)這些。他之所以得到諾貝爾獎(jiǎng)就是因?yàn)閷?duì)量子理論的貢獻(xiàn)。即使這樣，他也從不接受宇宙受機(jī)遇控制的觀點(diǎn)；他的感覺(jué)可表