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量子力学的新解释 关 洪 （中山大学物理系） adsgh@ 2005年6月，北京 （一）消干效应和量子力学的一种新解释简介 近十几年来的一些新进展 量子力学和经典力学的根本区别 按照Feynman的观点，量子力学与经典物理学之间最重要的区别在于，量子力学遵从的是用态函数或者跃迁振幅表示的概率幅度的叠加规则，而经典物理学则服从概率叠加的规则。换句话说，在量子力学里存在着概率幅之间的干涉，而经典物理学里则不存在这样的干涉项。 1.1 消干（decoherence）效应简介 简单地说，消干效应指一个量子物理学系统，由于与其环境不可避免的相互作用，使得系统所处的、由某个观察量的多个本征态相干叠加而成的状态，不可逆地消去了各个干涉项，使系统的行为表现得就像经典物理学系统一样。 一种形象的演示 设有一个系统，用隔开一段距离的两个一大一小的高斯型波包叠加起来的一维态函数描写。在密度矩阵的图示里可以看到，除分别代表粒子落到这两个波包的概率的两个对角项之外，还有处在非对角位置的两个交叉项即干涉项。那么，消干效应说的就是，环境的影响会使密度矩阵的非对角元基本消失，实际上只留下两个对角元，亦即是变成同经典物理学一样的概率分布。 一种可计算的模型 在一个便于计算的模型里，把环境看做由大量谐振子组成，并且化成一个等效的标量场。设在坐标表象里，在标量场里运动的、质量为m的粒子的密度矩阵为?r(x, x’) ，从路径积分等方法可以推演出它的演化方程（主方程） 方程右方第一项可由薛定谔方程导出，在经典情况下对应于观察量平均值的演化；第二项是耗散项；末项是布朗运动式的随机项，正是它摧毁了量子系统的相干性。 主方程g?＝h / 2m是弛豫率（h?是粘滞系数），T是场的温度 消干时间尺度 tD 同弛豫时间尺度 tR＝1/g??的比率 消干时间的估算 对于一般宏观物体。例如：室温T ?300K，m ?1g，Dx ?1cm，有t D /tR ?10－40。即是说，即使一个宏观系统的弛豫时间tR相当于宇宙年龄1017s，消干时间也只有10－23s那么短，事实上不可能建立有效的相干性质。但在特殊情况下，例如低温（10－3K）下的韦伯型引力波天线，Dx ?10－19cm，m ? 100 kg，消干过程会变得很缓慢（tD /tR ?10－2），必须当成量子振子看待。对于一个电子，m ?10－27g，在原子（Dx ?10－8cm）尺度上下必须用量子力学描写。 另一种估算结果 计算表明，对于10－3cm上下的尘埃颗粒，受到宇宙背景辐射，室温热辐射，地面上的阳光，空气分子，和实验室真空等等的散射，都足以迅速产生消干效应。这就是为什么我们总是看到这些对象总以“ 微粒”的定域形式存在的原因。 localization rate（定域率）L: This quantity measures how fast interference between different positions disappears as a function of distance in the course of time. 不同情况的定域率 消干效应并非来自测不准关系 首先，消干效应一般涉及到的，不是像能级跃迁那样的状态改变，而只是各个本征态之间干涉项的消失。其次，消干效应不是像弛豫、耗散一类的热学效应。 而消干效应是由布朗运动式的涨落引发的，它导致的结果是不能够用统计物理学的系综平均方法算出来的。 消干是一种新型的效应 因此，消干效应的机制，有别于过去惯用的能量－动量机制。例如，过去认为在粒子束实验里，在一定条件下干涉条纹的消失是由于粒子的能量－动量受到了干扰。现在已经证实，一般说来，这是不能用能量－动量分析来说明的一种更微妙的效应。 一种新的观念 从近代物理学诞生时起建立的许多模型，都在一定程度上以为宏观系统是可以近似地看做同环境隔绝的。的确，过去从能量－动量的角度看，认为微观系统是娇气的，经不起外界的一点扰动。现在，从消干效应的角度看，反过来认识到宏观系统才是真正娇气的，它们在一瞬间就会丧失了量子相干的性质。 关于测量理论 消干方法的成果，去除了以往在量子力学的“ 测量理论”，以及“ 量子跳跃”， “ 主体和客体不可分”等问题上的神秘色彩。现在我们知道，消干效应是在一段或长或短的时间里发生的过程，不存在什么不可分析和突然发生的量子跳跃，也不需要在薛定谔方程之外再加上波函数坍缩的假设 消干方法为测量理论研究的发展做出了贡献。 粒子是在消干效应中产生的 消干效应是自然发生的，根本不需要观察者的主观介入。我们在测量中看到的结果（例如，微观对象的粒子性，测量结果的经典性质），乃是由消干过程产生出来的，没有根据说在此之前就存