量子物理學(xué)的實驗與哲學(xué)基礎(chǔ)(ppt 21)

1、 量子物理學(xué)是德國物理學(xué)家麥克斯普朗克于1900年在柏林提出的。起初是為了解釋一些光學(xué)現(xiàn)象而提出的，但經(jīng)過薛定鍔、波爾、泡利等物理學(xué)者學(xué)家的努力，現(xiàn)在，量子物理學(xué)已經(jīng)成為許多現(xiàn)代高科技的基礎(chǔ)。例如激光，如果不依靠量子物理學(xué)是無法解釋清楚的。并且還可以解釋某些化學(xué)現(xiàn)象。 盡管到現(xiàn)在為止，量子物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展的比較完善，并且以之為基礎(chǔ)的新技術(shù)，譬如量子計算、量子通訊已嶄露頭角，但它的發(fā)展并不平坦，并且從一開始就有著激烈的爭論，那就是波爾和愛因斯坦的對話。 愛因斯坦試圖保持關(guān)于世界的經(jīng)典的觀點，但波爾認為這是不可能的。在這個爭論中，一個被稱為Gedanken的實驗問題占有顯著的地位。Gedanken的

2、意思是思想，也就是說只是在頭腦中進行的實驗，這受限與當時的實驗條件，但在激光出現(xiàn)之后，這個實驗才成為現(xiàn)實，即所謂的雙柵實驗。雙柵實驗雙柵實驗在高中的課程中就有上面的雙柵實驗，其實驗結(jié)果也比較容易理解： 光是一種光波，在滿足相干的條件下通過雙縫后出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，即在屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋。 1、暗條紋的地方是光通過雙縫后相互抵消的區(qū)域 2、明條紋的地方是光通過雙縫后相互加強的區(qū)域這個實驗是沒有任何問題的，但是當用單個的粒子，也就是光的單個量子進行這個實驗時就會產(chǎn)生哲學(xué)上的問題例如：粒子會從兩條縫中的哪一條通過？當粒子通過某一條縫時你怎么知道另一條縫此時是開著的還是關(guān)著的？ 事情往往如此：通過實驗，

3、又產(chǎn)生了一些新的在過去的討論中所沒有想到的新實驗的可能性，并以此為基礎(chǔ)產(chǎn)生了新的觀念。這是個普遍現(xiàn)象。 量子力學(xué)就是研究這種隨機事件的，但是它所研究的隨機性又不同于經(jīng)典物理或日常生活中的隨機性，具有新的性質(zhì)： 1、量子力學(xué)研究的隨機事件不但是沒有原因的，而且連隱藏在背后的原因也沒有 2、偶然事件也沒有任何原因 也正是這些原因，讓包括愛因斯坦在內(nèi)的一些物理學(xué)家不舒服，在物理界引起很多分歧。 讓我們再回到雙縫干涉實驗。前面說從左面發(fā)射光線，通過雙縫后，形成了干涉條紋。我們知道光是由粒子產(chǎn)生的，那么就又有了下面的問題： 一個單獨粒子穿過縫隙，會有什么樣的情況出現(xiàn)？ 愛因斯坦試圖證明可以知道粒子是從那

4、條縫中通過的，而且如果收集許多粒子，就會形成要找的圖形。但是波爾已經(jīng)證明他錯了。 而現(xiàn)在的觀點是： 信息對于解釋量子物理學(xué)起著至關(guān)重要的作用！ 一方面：如果對于粒子的路徑選擇有任何信息，那么就不會有干涉。人們能否知道這個信息不重要，關(guān)鍵是到底有沒有這種信息的存在。 另一方面：如果沒有任何信息，無論你花多少努力也得不到這種信息，那么就只能看到干涉。 這個理論很有意思，因為干涉條紋就包含著信息，所以可做如下選擇： 1、知道粒子選擇哪條途徑 2、在干涉圖形中獲得信息 在量子理論中，另一個很重要的概念是糾纏態(tài)。量子糾纏態(tài)是量子力學(xué)的本質(zhì)和最主要的特征。下面解釋一下糾纏態(tài)。 現(xiàn)在有兩個系統(tǒng)（用兩個骰子表

5、示）。當去測量時，每個骰子都會給出一個完全隨機的結(jié)果。然而，一旦一個骰子被測定出來，對另一個骰子的測量 結(jié)果就被確定了。也就是說只要一個粒子被測定了，另一個粒子的量子態(tài)就立即被確定了，不論兩者相距多遠。 像這樣，多個量子位相互作用，就形成了糾纏態(tài)。 糾纏態(tài)現(xiàn)在已被應(yīng)用到實際中，例如：量子計算機。我們再回到哲學(xué)的問題上： 首先，量子力學(xué)是非常正確的，問題是這意味著什么。信息是量子力學(xué)的中心概念，所以，量子力學(xué)不是關(guān)于現(xiàn)實的，而是關(guān)于信息的，關(guān)于知識的。 波爾說，無論量子現(xiàn)象超出經(jīng)典的物理學(xué)解釋有多遠，但是對任何事情的描述，都必須用經(jīng)典的術(shù)語來表達， 經(jīng)典的術(shù)語是指邏輯的陳述，即一個判斷是正確的，

6、還是錯誤的。 因為沒有什么量子世界，只有一個抽象的量子物理學(xué)描述。 其次， 認為物理學(xué)的任務(wù)是去發(fā)現(xiàn)自然究竟是怎么樣的想法是錯誤的，物理學(xué)所做的只是關(guān)于自然的如何描述。人們不可能判斷自然是什么，只能討論如何描述自然。 這也是哲學(xué)家們很久以前就告訴過我們的。就是說人們根本不可能判斷自然到底是什么？我們只能討論如何來描述自然。 現(xiàn)在對于一個簡單的問題有一種很簡單的回答。這個問題是物理學(xué)家和生物學(xué)家韋勒提出的。 問題是：世界為什么是量子化的，最簡單的理由是什么？ 假定信息是最基本的概念，以此出發(fā)，那么當我們描述某種情況時，就必須做判斷，就必須使用邏輯的前提，這個前提必須是一、二、三個等等，不能一點五

7、個前提；在計算機化的情況下， 也只能使用一、二、三等整數(shù)個比特。 由以上的觀點看出，信息在作出判斷時是量子化的，所以世界就表現(xiàn)為量子化的。 如果用這種觀點判斷薛定鍔的貓的問題，那么這個問題就不存在了： 薛定諤設(shè)想了一個理想實驗：將一只貓關(guān)在箱子里，箱內(nèi)還置有一小塊鈾、一個盛有毒氣的玻璃瓶，和一套由檢測器控制的榔頭所構(gòu)成的執(zhí)行機構(gòu)。鈾是不穩(wěn)定的元素，衰變時放出射線觸發(fā)檢測器，驅(qū)動榔頭擊碎玻璃瓶，釋放出毒氣將貓毒死。鈾未衰變前，毒氣未放出，貓是活的。鈾原子在何時衰變是不確定的，所以是處于疊加態(tài)。薛定諤挖苦說：按照量子力學(xué)的解釋，箱中之貓?zhí)幱凇八阑畀B加態(tài)” 既死了又活著！ 量子力學(xué)告訴我們，經(jīng)過一段時間以后，這個原子就會處于一種衰變和不衰變的疊加狀態(tài)。因此，如果量子力學(xué)如人們所認為的那樣是普遍適用的，那么這個貓也就處于死與活的疊加狀態(tài)。這個問題經(jīng)常被人們錯誤地表達為：量子力學(xué)預(yù)言，這只貓是處于一種既死又活的狀態(tài)。 以我們的觀點來看，我們所能說的只不過是我們所具有的信息是這樣的。因為并沒有客觀的方式來說明貓是死是活，所以不能說。我們對現(xiàn)實無法下判斷，只能對我們的知識下判斷。我們的知識說，兩種結(jié)果都有同樣的可能性，我們對此無法區(qū)別。所以只能用疊加態(tài)來描述這種情況，我們無法獨立于實驗而對真實發(fā)生的情況下判斷。 我們總是在談?wù)撐磥恚磥淼陌l(fā)展，但