相對論對量子力學的啟示與發展

白 蕊

（沈陽師范大學物理科學與技術學院，遼寧 沈陽110034）

量子力學和相對論已經在20世紀就成為了物理學的支柱理論，其在歷史的發展中既是獨立的，同時又是緊密的交織在一起。早期的量子力學和相對論之間主要是愛因斯坦其光量子理論為量子論的發展做出了重要貢獻。狹義相對論和概念性的追求不強，然而愛因斯坦本人，雖然未參與到量子力學架構之中，但是其卻以相對論作為基礎，在物理或者方法論上對于量子力學研究上產生了非常重要的作用。本文主要就相對論的發展和量子力學之間的啟示進行分析，并探討其發展。

1 初期量子力學和相對論的聯系分析

量子論其主要是源自黑體輻射問題探索，從普朗克的研究成果來看，一切輻射振子的能量均只能夠被限制為E=nhγ，其中h為自然常數，h=6.55x10-27爾格·秒。量子力學概念的提出從事實上來看，其主要是將連續性的原理作為經典物理學的支柱，但是普朗克其本人卻未曾認識到這點。另外洛倫茲曾經試圖將電磁模型和機械模型解釋為輻射機制或者h常數，其意義與以太自由度的限制相關。即每個自由度均會拒絕任何大小的能量，除非以hγ的份額出現。他對自由度進行限制，并且將幾組毗鄰的振動耦合在一起，以此來確保麥克斯韋方程有效[1]。

愛因斯坦曾在1905年提出了光量子的假設，其觀點為：光束的能力不僅可以吸收與發射中的量子性，并且空間也不是進行連續分布的。雖然愛因斯坦的光量子假說是從麥克斯韋理論與實踐矛盾中產生，并且也是重物提所持理論觀念的分歧。隨后一段時間，愛因斯坦將經典力學和麥克斯韋的電磁理論統一在一起，并奠定了狹義相對論基礎。并且愛因斯坦指出光以太的存在其實是多余的，因為按照所闡明的見解，不需要引進一個具有特殊性質，并且絕對靜止的空間，同時也不需要給發射電磁過程的虛空間每一點規定的速度矢量。對于以太概念的否認，使得人們認識到了光不是一種臆想的媒質狀態和類似物質實體存在的東西。

直到1991年，索爾末會議之后，光量子假說逐漸被認同，并且迅速擴展到了原子結構的問題研究。玻爾解決了原子結構的穩定性解釋，并且導算出了氫光譜的巴爾末公式。1916年，愛因斯坦建立了廣義相對論，并且再次將重心轉向了量子論，他希望通過廣義相對論來對數學基礎進行推廣。從廣義的相對論，不僅可以推導出引力場的性質，而且還能夠對想磁場的性質進行推導。

2 相對論在量子力學中的構建

量子力學主要沿三條途徑慢慢的建立起來，分別是薛定諤波動力學、海森堡矩陣力學和狄拉克q數理論。

2.1 海森堡矩陣力學

海森堡矩陣力學是基于波爾理論建立起的，其主要的重心在微觀客體的粒子性上。海森堡矩陣力學針對波爾理論只能計算能量而無法計算躍遷幾率的缺點，認為最關鍵的問題在于防止僅對粒子軌道做出具體的描述，但又無法直接進行觀測。海森堡這一理論方案設計到一種方程，即粒子位置和速度的方程，位置和速度乘積主要取決于兩種量相乘的先后順序。海森堡在兩位數學家的幫助下利用矩陣代數建立起了矩陣力學體系。在建立矩陣力學過程中，相對論的作用主要體現在方法論和認識論上。海森堡將利用相對論啟示提出了量子理論[2]。

2.2 薛定諤波動力學

薛定諤波動力學基于德布羅意物質波理論，而德布羅意物質波理論主要是由于德布羅意受到相對論中光量子論的啟示，并考慮了電子運動時相對性效應提出的。德布羅意的研究告訴我們，不能將電子視為一種單純的微粒，必須要賦予電子周期性，隨后德布羅意將光微粒能量方程E=hγ推廣到電子上，提出了相波概念，并導出了電子波函數方程。薛定諤就是從德布羅意的電子波函數方程入手，試圖將該方程推廣到束縛粒子上，并根據德布羅意的電子波函數方程進行了推廣并用于在氫原子上，由于考慮不周導致結果和實驗不符合，但在該過程中轉而提出了非相對論性波動方程。

2.3 狄拉克q數理論

當狄拉克得知海森堡等人建立了矩陣力學后，他卻獨辟蹊徑的提出了量子力學q數理論。后來，狄拉克回憶道，當時在物理力學方程中存在著一般性的問題，即人們一旦遇到用非相對論形式表現的物理方程，當時的人總想去將它們改成合適相對論的形式，并且他還說他對海森堡著作中提到的非相對論理論不是太過滿意。同時，狄拉克也注意到矩陣力學并不和相對論協調，并且矩陣方程中涉及的兩種能量，會讓他不由自主的聯系到其和兩個動量，從相對論考慮，兩個動量的差值應該與兩能量差值除以光速得到的值一樣，并且兩動量差的方向在矩陣元中應該保持相同，再聯系到泊松符號和易子，使狄拉克建立起q數理論。

3 相對評價和量子力學經驗詮釋差異

哥本哈根作為量子力學的代表人物，其理論被玻爾、海森堡等人提及了相對論思想對他們的理論具有互補和啟示作用。玻爾曾經說過，不管是相對論，還是互補思想的典型特征有何種不同，兩種形式在認識方面都表現出深遠相似之處。玻爾在分析過程中將引導互補性的結論方法，其直接是受到愛因斯坦本人在使用精辟方法對同時性概念的啟示。對于經典物理學的概念框架擴展和發展方面，相對論和量子理論之間存在著很多的相似之處。玻爾等人對于相對論的認識還存在著另外一個視角，即還沒有背離經典物理學的理想，其仍然具有其明顯特點。正是因為如此，其對量子物理學的發展造成了障礙。

從玻爾的觀點中看出，經典物理力學和相對論范圍內，可以采用一種理想化的方法來對其進行任意分割，從測量儀器以及所觀察的客觀體來看，其相互作用之間可以忽略不計，或者可以設法進行補償，但是微觀物理學過程中存在著一種固有的整體理論特征，從量子現象來看，決定論中所提及的各個時間無限可分性，則從原則上被指定，其被試驗條件所排出。愛因斯坦始終認為量子力學的統計規律不是物理實在的完備描述，而是需要有一個決定論作為基礎。曾經愛因斯坦使用推廣的廣義相對論針對原子的結構和量子問題進行分析，并且他將相對論作為物理學發展的一個綱領。量子力學建立之后，愛因斯坦本能的意識到它和相對論不相容。愛因斯坦和玻爾等人，針對量子力學經驗和相對評價論之間的爭論始終以相對論來作為基綱進行分析。論證量子力學和相對關系體系中，愛因斯坦提出了其判斷依據：分離系統的狀態只有被有限、低速的光速傳播效應來進行改變，而普遍的相互作用原則之中，則可以通過單個過程來進行隔離，此過程中還可以實現不破壞客體的本質。顯而易見，這個判斷的根據是從狹義相對論中衍生而來，均是根據狹義相對論作為前提，然后為了消除EPR悖論所提出的量子力學跟蹤解釋。

4 結束語

我們在進行量子力學的構建和經驗詮釋之中，相對論主要是以認知作為背景。若將經典物理學看做為廣闊的認知背景，則相對論和量子力學將成為了擴展和變革的表現。從量子力學研究中，以非相對論作為基礎，其使得構建者們感受到不安和困惑，且二者難以達到協調一致。

［1］劉雅超,黎明.相對論量子力學方程的求解新方案[J].武漢工程大學學報,2010,07:107-110.

［2］鄒艷波.經典力學與量子力學對應關系研究[D].新疆師范大學,2008.