淺談量子力學

(中北大學　山西　太原　030000)

引言

量子力學理論正在逐漸應用于現實生活中，國內外對量子力學的研究也成為正在發展的新趨勢。經典力學中，用質點的位置和動量來描寫宏觀質點的狀態；而量子力學中，用波函數來描述微觀粒子的狀態，用薛定諤方程來描述微觀粒子狀態隨時間的變化[1]。波函數在空間中某一點的強度(振幅絕對值的平方)和在該點找到粒子的概率成比例，表明了粒子軌跡的不確定性。薛定諤方程是量子力學的基本方程，它揭示了微觀物理世界物質運動的基本規律。

一、量子世界的或然性

宏觀世界中，物體的位置及其運動軌跡可以由經典物理中的規律或方程描寫出來。量子世界中卻不能，海森堡的不確定性原理表明，一個微觀粒子的位置和動量不可能同時具有確定的數值，其中一個量越確定，另一個量的不確定程度就越大。實際上，粒子的運動軌跡也是不好測量的?；堇沼幸粋€著名的延遲選擇實驗[2]如圖1所示：(a)為光子I經過半反射鏡s/2分成2a，2b兩束，而后分別經A，B兩全反射鏡到達右側交叉點處；(b)為當做接收裝置的兩計數器，可以分別接收到來自A，B的光子；(c)為另一接收裝置，在交叉點處比(b)多加了一個半反射鏡。當使用(b)裝置時可以通過觀察哪個計數器發出響聲來判斷光子從哪條路徑(A或B)經過；然而當使用(c)接收裝置時，調節好半反射鏡，會發現其中一個計數器發出噠噠的響聲，另一個計數器沒有反應，這說明4a和4b兩光束相干，一個光子同時在走A和B兩條路徑！因此，我們就可以通過延遲到最后一刻光子已經完成它的旅途之后再決定放或者不放第二個半反射鏡，來決定光子走過的路徑?；堇盏倪@個實驗可以說明，我們并不知道粒子在到達探測器前發生了什么，我們只能知道它被觀測到時的現象。正如惠勒用那幅“龍圖”所說，龍的頭和尾巴(輸入輸出)都是清晰的，但它的身體(路徑)卻是一團迷霧，沒有人可以說清楚。延遲選擇實驗同樣說明了的是，基本量子現象依賴于所使用的測量儀器。

圖1　延遲選擇實驗

二、態疊加與態坍縮

從量子力學的角度來說，態是可以疊加的。一般觀點認為：客觀物體要有一個確定的空間位置，這種存在，不以人的意志為轉移。比如，你的狗在家或者不在家，必然只有其中一種狀態；而量子力學觀點認為：你的狗有一種狀態是既在家又不在家兩種疊加的狀態。如果不觀察它，它就處于疊加態；倘若想要確認一下則觸發了觀察的動作，一經觀察，疊加態就發生了坍縮：從原來的疊加狀態，變成在家或不在家的唯一狀態，這就是疊加態的坍縮。這里的觀察也就是測量，量子力學的測量中會發生態的坍縮，即坍縮到一種你測量到的確定的狀態。當你未測量時，一個態在按薛定諤方程做演化，你只能計算平均值。當你測量時，這個態就會以波函數的平方為概率進行坍縮(具有隨機性)，坍縮到某一個測量值的本征態。薛定諤的貓[3]是一個很經典的實驗，實驗過程是：一只貓放進一個封閉的盒子，并把這個盒子接到一個帶有原子核和毒氣設備的裝置上。原子核有百分之五十的可能發生衰變，衰變時會發射出一個粒子，發出的粒子會觸發毒氣設備，毒氣外露便會殺死貓；原子核未衰變，貓便活著。因此現在這只貓就處于這種既死又活的迭加狀態。你一旦想打開這個盒子來測量一下貓是死是活，那么在你打開的瞬間波函數就坍縮了，貓的狀態就變成了一個確定的狀態。其實測量的過程，也就是人的意識摻雜入其中的過程，因此也可以認為，是人的意識導致了波函數(量子力學的狀態)的坍縮，使不確定狀態變成確定的狀態，進而改變了客觀世界。

三、量子現象的基本創造行為

或然性是基本量子現象的一種屬性，大自然用或然性建立了必然性；選擇性則是另一種屬性。從惠勒的延遲選擇實驗中，我們推斷出假如我們有足夠的時間進行延遲選擇即在實驗的最后一刻決定用哪一種探測器并將其放在交叉點處時，我們采取的實驗方式將對光子過去的行為產生不可挽回的影響。0957+561A和B兩個類星體實際上是一個類星體的光線經受引力透鏡效應后形成的兩個像，被誤認為兩個類星體。我們拿它們做宇宙尺度上的光束分離實驗，進行延遲選擇。當用圖1(c)中接收設備時，我們判斷光是從“哪條路”來的。當用圖1(d)中接收設備時，我們則判斷光是從“兩條路”來的。因此可以粗略的說，我們在光子已經完成它的行為之后，決定了光子的行為！這可以理解為基本量子現象的基本創造行為。過去的并不是完備地存在的，我們用怎樣的量子設備置于現在這一點將會對我們所謂的“過去”有一種不可否認的影響。換言之，被我們稱之為“過去”的那個時空，過去的那種事件，實際上是由前不久的過去以及現在所選擇的測量來決定的，由這些決定所實現的現象，可影響過去，直至宇宙之始。由此，我們可以說宇宙決定于基本量子現象的創造行為。宇宙大爆炸只不過是所有涉及過去的各種觀測者參與的億萬次基本創造作用的累加。真正建造宇宙存在的單元是基本量子現象。

結語

量子力學的知識體系遠不止這些，我們發現的量子世界的粒子及其運行規律僅是冰山一角。量子理論雖與我們目前所熟知的截然不同，卻更貼近物質本質，更能反映世界運行規律。微觀世界更多的知識，更豐富的景象等待我們不斷去挖掘。

【參考文獻】

[1]周世勛.量子力學教程(第二版)[M].北京：高等教育出版社，2008:49.

[2]方勵之.惠勒演講集：物理學和質樸性[M].安徽：安徽科學技術出版社，1982:60.

[3]李淼.給孩子講量子力學[M].北京：民主與建設出版社，2017:144.