量子力学与实在论课件.pptVIP

量子力学与实在论吴新忠上海交通大学科学史系 E-mail: sju@ 经典物理学的大厦 牛顿力学（1688）：欧几里得空间，确定惯性系的绝对时空，因果决定论的可逆自然律，原子论的粒子本体论。 麦克斯韦电磁场论（1873）：静止以太的绝对空间，因果决定论的可逆自然律，法拉第力线的场本体论。 热力学（19世纪）：因果决定论的不可逆唯象定律，从热素说到分子运动论（玻尔兹曼）再到唯能论（马赫）的本体论演变。 牛顿主义胜利在望？ 麦克斯韦企图引入以太漩涡来解释电磁场，把电磁场论彻底归结为牛顿力学，这是牛顿主义的立场。 玻尔兹曼与麦克斯韦的统计力学似乎能够把热现象归结为牛顿力学支配的分子随机运动的宏观效应，但洛西米特提出了可逆性佯谬，彭加勒提出了回归佯谬；熵的统计解释导致了微观层面因果绝对论的弱化，而热力学时间箭头看来是不可还原的突现性质。 1900年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物理学的发展的文章中说到： 也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！ 但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到： “在已经基本建成的科学大厦中， 后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。” --开尔文-- 黑体辐射实验 迈克尔逊- 莫雷实验 后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。 “但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，----” 狭义相对论（1905） ● 狭义相对论： 爱因斯坦相对性原理 光速不变原理 洛伦兹变换 狭义相对论（动力学）： 一切物理学定律的方程式在洛伦兹变换下保持 形式不变（光速不变原理可以看作是相互作用的电磁信号传播规律在所有惯性系中不变） 相对论的意义 力学相对性原理 狭义相对性原理 广义相对性原理（1915） 力学定律的数学形式不随惯性系变化（Galileo群） 物理定律的数学形式不随参考系变化（Einstein群） 物理定律的数学形式不随惯性系变化（Poincare群） 对称性扩展 相对论以彻底贯彻麦克斯韦的电磁场论，宣告了牛顿力学的绝对时空观和粒子本体论的破产而导致物理学革命的降临，但仍然坚持牛顿力学的因果决定论理想： 物理定律的数学形式 真空中的光速 不随参考系变化 量子力学革命 普朗克（1900）：黑体辐射定律要求引入能量子概念与微观粒子全同性的量子统计，否则可能破缺热力学第三定律。 爱因斯坦：电磁辐射具有熵和比热，可以视为光子理想气体系综（1905）。玻色-爱因斯坦气体符合热力学第三定律（1925）。 玻尔（1913）：引入定态假设与跃迁假设，改进卢瑟福太阳系原子模型，避免麦克斯韦电磁场论带来的绕转电子落进原子核的塌缩困境。 德布罗意（1924）：从光与物质粒子的类比出发，根据波粒二象性提出物质波概念。 薛定谔（1926）：波动力学，薛定谔方程包含哈密顿原理，量子化是本征值问题。 海森伯（1925）：矩阵力学，把经典力学量用光谱频率与振幅的傅里叶展开的矩阵来表示，每个可观测量对应一个厄米算符 。量子力学是用光谱分析的波动数学结构改造牛顿力学的产物。 追随玻尔与海森伯的哥本哈根学派忽视量子力学的热力学源头，把波粒二象性进一步上升为互补原理，实证主义地理解不确定关系，主张现象本体论。 对波函数的不同理解 按照德布罗意的原始假定，所谓电子的波动性，是指总有一个相位波伴随着电子的运动，电子是物理的粒子，相位波提供的是粒子在空间中的递次位置的信息。 爱因斯坦把电子运动的波动性归之为一种非物理的鬼场，鬼场不携带能量和动量，但指引着粒子的运动。 薛定谔的电磁解释 与德布罗意的相位波和爱因斯坦的鬼场不同，薛定谔认为波函数描写的不是虚拟的而是类似麦克斯韦电磁场的真实物理场，这就是“电磁解释”；在薛定谔看来，粒子不外是由作为物理实体的波场集中积聚在微小空间内而形成的波群或波包。ψψ*代表电荷密度的权重。 但是，薛定谔的解释面临波包扩散，波包收缩，动量表象和位置表量变化的理解，以及波函数多维空间和复数表达等问题。 玻恩的量子几率解释 1926年，玻恩在《论碰撞过程的量子力学》中，认为波函数服从统计规则，波函数模量的平方|?|2，给出粒子出现的几率。 “我把薛定谔波场理解为你用字意义上的‘幽灵场’，在当时是有用的，……当然，几率场不是在通常空间中而是在相空间（或组态空间）中传播的。” ——（玻恩致爱因斯坦，1926） 爱因斯坦在1936年写道：“?函数不能以任何方式描述单个系统所具有的条件，而只能与