量子力學早期發(fā)展史

量子力學早期發(fā)展史對量子力學發(fā)展早期的學派之爭作一簡要的評述，這有助于更進一步地理解量子力學的發(fā)展過程。1引言20世紀初建立的量子力學是對典型物理學的革命性的突破。與典型物理學不同，它是研究微觀世界的科學。因而對于物理學家來說，需要建立起嶄新的概念和思想辦法，也就是需要有新的哲學觀點來解釋它。同時也引發(fā)了一場空前的物理學和哲學上的大爭論。例如，波函數(shù)、不擬定關系等量子力學中的重要概念和原理，各學派之間有著不同的見解和觀點。然而，這場爭論也推動了量子力學的發(fā)展。本文對量子力學發(fā)展早期的學派之爭作一簡要的評述，從而有助于更進一步地理解量子力學的發(fā)展過程。2哥本哈根學派對量子力學的解釋哥布哈根學派是20世紀代早期形成的，為首的是丹麥出名物理學家尼爾斯*玻爾，玻恩、海森伯、泡利以及狄拉克等是這個學派的重要組員。它的發(fā)源地是玻爾創(chuàng)立的哥本哈根理論物理研究所。哥本哈根學派對量子力學的創(chuàng)立和發(fā)展作出了杰出奉獻，并且它對量子力學的解釋被稱為量子力學的“正統(tǒng)解釋”。玻爾本人不僅對早期量子論的發(fā)展起過重大作用，并且他的認識論和辦法論對量子力學的創(chuàng)立起了推動和指導作用，他提出的出名的“互補原理”是哥本哈根學派的重要支柱。玻爾領導的哥本哈根理論物理研究所成了量子理論研究中心，由此該學派成為當時世界上力量最雄厚的物理學派。哥本哈根學派的解釋在定量方面首先表述為海森伯的不擬定關系。這類由作用量量子h表述的數(shù)學關系，在1927年9月玻爾提出的互補原理中從哲學得到了概括和總結，用來解釋量子現(xiàn)象的基本特性——波粒二象性。所謂互補原理也就是波動性和粒子性的互相補充。該學派提出的量子躍遷語言和不擬定性原理(即測不準關系)及其在哲學意義上的擴展(互補原理)在物理學界得到普遍的采用。因此，哥本哈根學派對量子力學的物理解釋以及哲學觀點，理所固然是諸多學派的主體，是正統(tǒng)的、重要的解釋。3玻恩的量子力學統(tǒng)計解釋對量子力學解釋的統(tǒng)計觀點認為，量子力學對客觀世界的描述只能是統(tǒng)計性的，而不是決定論的，也不能描述單獨發(fā)生的事件。最早提出這概念的是玻恩，1926年他寫了一篇不到5頁的文章——“論碰撞過程的量子力學”，認為波函數(shù)服從統(tǒng)計原理，波函數(shù)模量的平方代表粒子出現(xiàn)的概率。值得闡明一點的是，玻恩的觀點最早也為玻爾、海森伯等人所接受，就其哲學思想來說和哥本哈根學派是一致的，但在量子力學解釋的見解上卻是有差別的，盡管都承認概率的概念，但哥本哈根學派認為這種概率能夠描述單個事件，而這里所說的統(tǒng)計解釋則剛好否認這一點。在這一點上愛因斯坦的觀點是與玻恩一致的。玻恩受愛因斯坦思想的啟發(fā)，認識到能夠通過概率的途徑將“粒子與波”合理地聯(lián)系起來?！案怕省币辉~意味著可能性程度，概率也叫幾率、可能率、或然率，這許多名詞都是同一種意思。要對的理解玻恩的概率解釋，核心在于分清兩個關系：一種是波與粒子(例如，電子)的關系，另一種是單個粒子(例如，電子)與粒子總體(例如，電子流)的關系。為了闡明玻恩的概率的解釋，我們能夠結合具體的電子衍射實驗。在這一實驗中，能夠得出電子-電子流-波三者之間的有機聯(lián)系。在實驗中，人們控制電子束，使電子一種一種地穿過薄晶片再射到攝影底片上。實驗成果是：單個電子即使能繞射到幾何陰影區(qū)內(nèi)，卻只能完全隨機地形成一種個斑點(一種電子對應一種斑點)，不能直接生成衍射圖樣；然而作為許多個電子累積的統(tǒng)計總和的粒子全體則能夠得到衍射圖樣，這個圖樣顯示出電子的波動性。從波動觀點看，底片上衍射極大處，波的強度(即振幅平方)較大；從粒子觀點看，單個粒子在某處的出現(xiàn)是隨機的，但粒子總體則滿足統(tǒng)計規(guī)律。在這里，能夠用統(tǒng)計觀點看待單個粒子與粒子總體的聯(lián)系，并將波的觀點與粒子觀點結合起來了，但這里的波是特殊意義的波，因而被稱為“概率波”。這種對物質(zhì)波衍射與實物粒子的波粒二象性的理解，稱作統(tǒng)計解釋或概率解釋。4量子力學的隱參量解釋提出隱參量解釋的觀點的重要是玻姆。這種觀點認為，量子力學只給微觀客體以統(tǒng)計性的描述是不完備的，需要引入某些新的附加參量，方便對微觀客體作進一步進一步的描述，這些新參量稱做隱參量。玻姆把粒子看作是“客觀實在的”構造，就象牛頓力學中的質(zhì)點同樣。位形空間中的波在他的解釋中也是“客觀實在的”，就象電場同樣。位形空間是牽涉到屬于系統(tǒng)的全部粒子的不同坐標的一種多維空間。玻姆又進一步規(guī)定恒波相面的法線是粒子的可能軌道。按照他的想法，這些法線中哪一條是“實在的”軌道取決于系統(tǒng)和測量儀器的歷史，并且如果對系統(tǒng)與測量儀器的理解不比事實上能理解的更多的話，“實在的”軌道就無法擬定。這種歷史事實上包含了隱參量，它就是實驗開始以前的“實際”軌道。玻姆所主張的隱參量解釋，企圖通過引入某些新的附加量——隱參量來對量子力學作進一步的進一步描述，從而彌補現(xiàn)有量子體系的不完備性，與此同時，該派還不滿意概率表達和非因果性描述，試圖對微觀客體作出決定論性的因果描述。到今天，即使尚未從實驗上驗證隱參量與否真正存在，但就其理論本身在當時科學界產(chǎn)生了強烈反響，得到了許多科學家的贊同。5量子力學的隨機解釋隨機解釋認為，通過研究薛定諤方程與費曼積分、馬爾科夫過程之間的聯(lián)系，認為應把量子力學解釋為一種典型的概率理論或統(tǒng)計過程理論．這些過程是隨機的，例如，用布朗運動理論解釋不擬定關系．最早對量子理論作隨機解釋的薛定諤和隨即的玻普通過對隨機過程的研究認為，波粒二象性的矛盾是由于波被看作是一種獨立的實在，如果波被看作是粒子系綜的集體特性，例如聲波那樣，就不存在矛盾了．后來，他們借助量子場中的產(chǎn)生和湮沒過程，建立起一種推廣了的統(tǒng)計力學，由此推出量子力學的規(guī)律．他們進一步認為波函數(shù)只是表達時空中事件出現(xiàn)的次序．由于基本領件按其本性來講是分立地產(chǎn)生和消失的，因此這些次序的規(guī)律含有統(tǒng)計的性質(zhì)．隨著統(tǒng)計電動力學的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)典型隨機體系與量子力學體系之間含有很大的類似性．薛定諤還認為，只能把“客觀實在性”歸屬于波而不歸屬于粒子，并且不準備把波僅僅解釋為“概率波”．因而他認為，只有位形空間中的波是普通解釋中的概率波，而三維物質(zhì)波或輻射波都不是概率波，但卻有持續(xù)的能量和動量密度，就象麥克斯韋理論中的電磁場同樣．薛定諤因此對的地強調(diào)指出，在這一點上，能夠構想這些過程是比它們普通的狀況更為持續(xù)．在普通的量子論解釋中，它包含在從可能到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)變中．6量子力學的典型或半典型解釋典型或半典型解釋是尋找量子力學與某種典型力學理論之間的聯(lián)系，企圖用類似典型理論的概念來解釋量子力學．重要有下面的幾個見解：6.1薛定諤的典型波動解釋薛定諤是在德布羅意物質(zhì)波的論文的啟發(fā)下，把德布羅意波由自由粒子推廣到處在勢場中的粒子，最后得到以他命名的薛定諤方程式．薛定諤反對量子力學的哥布哈根解釋，他用他的理論闡明他所認為的波函數(shù)的概率解釋的缺點，認為物理實在是由波構成的．他甚至否認分立的能級和量子躍遷的存在．薛定諤的典型波動解釋存在著某些問題，例如，他不能解釋波包擴散問題，也不能解釋在測量過程中波包的“編縮”問題．6.2德布羅意的雙解理論德布羅意認為，量子力學中的波函數(shù)Ψ不能表達真實的物理客體，而只能提供粒子多個可能運動的統(tǒng)計狀況．他將自己的理論稱之為“雙解理論”．德布羅意一度曾放棄了自己的見解，他說是由于受到哥本哈根“正統(tǒng)”解釋的壓力．60年代以來，德布羅意又重新申述他的觀點，并將他的見解與熱力學和相對論的觀點相聯(lián)系，提出了所謂“單個粒子的熱力學”或粒子的“隱熱力學”，把粒子的運動和熵的變化聯(lián)系起來，試圖建立一條他認為能夠真正解釋現(xiàn)在量子力學的新途徑．3有關量子力學發(fā)展早期的學派之爭的評述6.3流體動力學解釋主張流體動力學解釋的人把量子力學理論與流體動力學理論進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者非常相似．薛定諤方程推出后很快，有人就用流體力學方程推出薛定諤方程，并能反推．綜合上面三種典型或半典型解釋，很明顯，各派都力圖從典型理論中找出量子力學的完備解釋，他們把典型理論中的某些概念與量子力學聯(lián)系起來，通過其中的某些相似性，試圖建立一條他們認為能夠真正解釋量子力學的新途徑．7愛因斯坦與玻爾有關量子力學解釋的大論戰(zhàn)愛因斯坦與玻爾有關量子力學解釋的不同觀點之間的大論戰(zhàn)是量子力學創(chuàng)立和發(fā)展過程中最含有代表性意義的一場爭論，因而本文特作比較進一步完整的敘述和分析．玻爾19提出對應原理，認為量子理論能以一定的方式同典型理論一致起來．即認為原子保持量子狀態(tài)的特性和穩(wěn)定性有一定程度．只有當外來干擾的強度局限性以把原子激發(fā)到較高量子狀態(tài)時，原子才顯現(xiàn)量子特性．如果在非常強烈的干擾下，那么量子效應的特性將完全消失，原子也就帶有古典性質(zhì)．海森伯正是按這一原理和可觀察量是物理理論基礎創(chuàng)立了矩陣力學．波動力學也是通過量子和典型的對應性建立起來的．1927年海森伯提出“不擬定關系”后，玻爾接著于同年9月在乎大利科摩城召開的紀念伏打逝世100周年國際物理學會議上發(fā)表了題為《量子公設和原子理論的晚近發(fā)展》的演講，提出了出名的“互補原理”，引發(fā)學術界很大震動．互補原理認為：微粒和波的概念是互相補充的，同時又是互相矛盾的，它們是運動過程中的互補圖像．玻爾特別指出，觀察微觀現(xiàn)象的特殊性，由于微觀客體中最小作用量子h要起重要作用，因此微觀客體和測量儀器之間的互相作用是不能無視的．這種互相作用在原則上是不可控制的，是量子現(xiàn)象不可分割的構成部分．這種不可控制的互相作用的數(shù)學表達是“不擬定關系”．這決定了量子力學的規(guī)律只能是概率性的．為了描述微觀客體，必須拋棄決定性的因果性原理．量子力學精確地描寫了單個粒子體系狀態(tài)，它是完備的．玻爾特別強調(diào)微觀客體的行為有賴于觀察條件．他認為一種物理量或特性，不是本身即存在，而是由我們作觀察或度量時才故意義．哥本哈根學派寫了大量文章，宣傳互補原理，提出了客觀不可分的觀點．他們還將互補原理推廣到生物學、心理學，甚至社會歷史各個領域，認為互補原理是一切科學研究的指導思想．1927年10月24日至29日在布魯塞爾召開了第五屆索爾威會議，玻爾在會上又一次敘述了他的互補原理．量子力學的哥本哈根解釋為眾多的物理學家所接受，成為量子力學的正統(tǒng)解釋．但是在會上，互補原理卻遭到了愛因斯坦、薛定諤等人的強烈反對，開始了物理學史上前所未有的長達幾十年之久的愛因斯坦-玻爾大論戰(zhàn)．事實上，愛因斯坦和玻爾的論戰(zhàn)從194月就已經(jīng)開始了．當時，玻爾到愛因斯坦所在的德國柏林訪問，第一次與愛因斯坦見面．他們兩人就量子理論的發(fā)展交換了意見，談話的主題是有關光的波粒二象性的認識問題．乍看起來，這次爭論好象是愛因斯坦主張，完備的光理論必須以某種方式將波動性和粒子性結合起來，而玻爾卻固守光的典型波動理論，否認光子理論基本方程的有效性．然而，認真分析就會發(fā)現(xiàn)玻爾強調(diào)需要同典型力學的觀念作徹底的決裂，而愛因斯坦則雖贊成光的波粒二象性，但卻堅信波和粒子這兩個側面能夠因果性地互相聯(lián)系起來．愛因斯坦果斷反對量子力學的概率解釋，不贊成拋棄因果性和決定性的概念．他堅信基本理論不應當是統(tǒng)計性的．他說，“上帝是不會擲骰子的．”他認為在概率解釋的背面應當有更深一層的關系，把場作為物理學更基本的概念，而把粒子歸結為場的奇異點，他還試圖把量子理論納入一種基于因果性原理和持續(xù)性原理的統(tǒng)一場論中去，因此他在第五屆索爾威會議上支持德布羅意的導波理論，并且在講話中強調(diào)量子力學不能描寫單個體系的狀態(tài)，只能描寫許多全同體系的一種系綜的行為，因而是不完備的理論．4有關量子力學發(fā)展早期的學派之爭的評述愛因斯坦精心地設計了一系列抱負實驗，企圖超越不擬定關系的限制來揭發(fā)量子力學理論的邏輯矛盾．玻爾和海森伯等人則把量子理論同相對論做比較，有力地駁斥了愛因斯坦．1930年10月第六屆索爾威會議上，愛因斯坦又絞盡腦汁提出了一種“光子箱”的抱負實驗，向量子力學提出了嚴重的挑戰(zhàn)．玻爾通過一種不眠之夜的緊張思考，終于發(fā)現(xiàn)能夠用愛因斯坦自己的廣義相對論來回擊愛因斯坦．在第二天的會議上，玻爾指出愛因斯坦在自己的抱負實驗中無視了自己的紅移公式．愛因斯坦的挑戰(zhàn)再一次被駁倒，他不得不承認量子力學的邏輯一貫性．此后，愛因斯坦轉(zhuǎn)而集中批評量子力學理論的不完備性．1935年5月，愛因斯坦同波多爾斯基和羅森一起發(fā)表了題為《能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎?》一文，提出了出名的以三位作者的姓的首個字母簡稱的“EPR悖論”，使這場論戰(zhàn)再次出現(xiàn)了一種高潮．由于第二次世界大戰(zhàn)，論戰(zhàn)平息了一種時期．1949年，為了紀念愛因斯坦70壽辰，玻爾在題為《愛因斯坦：哲學家——科學家》的論文集中發(fā)表了《就原子物理學的認識論問題和愛因斯坦進行的商榷》一文，全方面系統(tǒng)地敘述了自己的觀點，總結了他同愛因斯坦的論戰(zhàn)．愛因斯坦在《對批評的回答》一文中，對玻爾的文章做了回復，批評了哥本哈根學派的實證主義傾向．直到愛因斯坦逝世后，玻爾還在內(nèi)心里繼續(xù)同愛因斯坦論戰(zhàn)，玻爾逝世的前一天晚上，他在工作室黑板上所畫的最后一種圖，就是愛因斯坦的“光子箱”草圖．以愛因斯坦和玻爾為代表的兩方論戰(zhàn)是科學史上持續(xù)最久、斗爭最激烈、最富有哲學意義的論戰(zhàn)之一，它始終持續(xù)到今天．現(xiàn)在我們還不能作出誰是誰非的結論．由于物理學中不同哲學觀點的爭論不能單靠爭論本身來解決，它最后要靠物理學的理論和實踐的進一步發(fā)展來裁決．現(xiàn)在我們只能說，爭論的雙方都現(xiàn)有對的的一面，也有局限性或錯誤的一面．哥本哈根學派對量子力學的統(tǒng)計解釋是對的的，對微觀客體波粒二象性的分析，以及互補原理的提出都對對的認識微觀世界起了重大作用．互補原理是符合辯證法的．但是他們對微觀客體的觀察和儀器的作用夸張到不適宜的程度而常有主客觀不可分的實證主義色彩．哥本哈根學派對量子力學的正統(tǒng)解釋，拋棄了機械的決定論和因果性無疑是對的的，但他們斷言微觀粒子只有統(tǒng)計規(guī)律，量子力學就是完備的描述、最后的描述似乎也為時過早．其實，量子力學作為人們對物質(zhì)世界認識的一種階段，不管將來與否有對單個粒子決定性規(guī)律的描述，它將永遠作為一種相對真理而存在．正如量子力學的出現(xiàn)，并沒有拋棄典型力學，只是闡明了典型力學的合用范疇，闡明了它是一種相對真理同樣．愛因斯坦的深刻批評和嚴格檢查，推動了量子理論的進一步探討，他對哥本哈根學派的實證主義傾向所進行的批評也不是無的放矢．但是，他把規(guī)律的統(tǒng)計性質(zhì)排斥在基本理論之外是不對的的．由于他沒有完全擺脫機械論的影響，對量子力學懷有明顯的偏見，使他后來在某種程度上脫離了當時量子理論發(fā)展的主流，這對他統(tǒng)一場論的研究也帶來了不良影響．總之，以玻爾為首的哥本哈根學派與愛因斯坦有關量子力學的解釋的爭論，不僅使他們的解釋成為有關學派的主導思想，并且對于推動量子力學的進一步發(fā)展起了主動的、重大的推動作用．同時再一次佐證了科學是在學術爭論和實踐中向前發(fā)展的．8結束語對量子力學的解釋問題，自從量