1、量子力學(xué)發(fā)展早期的學(xué)派之爭 材料物理 陳晨0210272,引言 20世紀(jì)初建立的量子力學(xué)是對經(jīng)典物理學(xué)的革命性的突破與經(jīng)典物理學(xué)不同，它是研究微觀世界的科學(xué)因而對于物理學(xué)家來說，需要建立起嶄新的概念和思想方法，也就是需要有新的哲學(xué)觀點(diǎn)來解釋它同時(shí)也引發(fā)了一場空前的物理學(xué)和哲學(xué)上的大爭論,比如，波函數(shù)、不確定關(guān)系等量子力學(xué)中的主要概念和原理，各學(xué)派之間有著不同的看法和觀點(diǎn)然而，這場爭論也推動(dòng)了量子力學(xué)的發(fā)展本文對量子力學(xué)發(fā)展早期的學(xué)派之爭作一簡要的評述，從而有助于更深入地了解量子力學(xué)的發(fā)展過程,哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的解釋 哥布哈根學(xué)派是20世紀(jì)20年代初期形成的，為首的是丹麥著名物理學(xué)家尼爾斯

2、*玻爾，玻恩、海森伯、泡利以及狄拉克等是這個(gè)學(xué)派的主要成員它的發(fā)源地是玻爾創(chuàng)立的哥本哈根理論物理研究所哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展作出了杰出貢獻(xiàn)，并且它對量子力學(xué)的解釋被稱為量子力學(xué)的“正統(tǒng)解釋”玻爾本人不僅對早期量子論的發(fā)展起過重大作用，而且他的認(rèn)識(shí)論和方法論對量子力學(xué)的創(chuàng)建起了推動(dòng)和指導(dǎo)作用，他提出的著名的“互補(bǔ)原理”是哥本哈根學(xué)派的重要支柱玻爾領(lǐng)導(dǎo)的哥本哈根理論物理研究所成了量子理論研究中心，由此該學(xué)派成為當(dāng)時(shí)世界上力量最雄厚的物理學(xué)派,哥本哈根學(xué)派的解釋在定量方面首先表述為海森伯的不確定關(guān)系這類由作用量量子h表述的數(shù)學(xué)關(guān)系，在1927年9月玻爾提出的互補(bǔ)原理中從哲學(xué)得到了概括和總

3、結(jié)，用來解釋量子現(xiàn)象的基本特征波粒二象性所謂互補(bǔ)原理也就是波動(dòng)性和粒子性的互相補(bǔ)充 該學(xué)派提出的量子躍遷語言和不確定性原理(即測不準(zhǔn)關(guān)系)及其在哲學(xué)意義上的擴(kuò)展(互補(bǔ)原理)在物理學(xué)界得到普遍的采用因此，哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的物理解釋以及哲學(xué)觀點(diǎn)，理所當(dāng)然是諸多學(xué)派的主體，是正統(tǒng)的、主要的解釋,玻恩的量子力學(xué)統(tǒng)計(jì)解釋 對量子力學(xué)解釋的統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)認(rèn)為，量子力學(xué)對客觀世界的描述只能是統(tǒng)計(jì)性的，而不是決定論的，也不能描述單獨(dú)發(fā)生的事件最早提出這概念的是玻恩，1926年他寫了一篇不到5頁的文章“論碰撞過程的量子力學(xué)”，認(rèn)為波函數(shù)服從統(tǒng)計(jì)原理，波函數(shù)模量的平方代表粒子出現(xiàn)的概率 值得說明一點(diǎn)的是，玻恩的觀

4、點(diǎn)最早也為玻爾、海森伯等人所接受，就其哲學(xué)思想來說和哥本哈根學(xué)派是一致的，但在量子力學(xué)解釋的看法上卻是有差別的，盡管都承認(rèn)概率的念，但哥本哈根學(xué)派認(rèn)為這種概率可以描述單個(gè)事件，而這里所說的統(tǒng)計(jì)解釋則剛好否認(rèn)這一點(diǎn)在這一點(diǎn)上愛因斯坦的觀點(diǎn)是與玻恩一致的,玻恩受愛因斯坦思想的啟發(fā)，認(rèn)識(shí)到可以通過概率的途徑將“粒子與波”合理地聯(lián)系起來“概率”一詞意味著可能性程度，概率也叫幾率、可能率、或然率，這許多名詞都是同一個(gè)意思要正確理解玻恩的概率解釋，關(guān)鍵在于分清兩個(gè)關(guān)系：一個(gè)是波與粒子(例如，電子)的關(guān)系，另一個(gè)是單個(gè)粒子(例如，電子)與粒子總體(例如，電子流)的關(guān)系 為了說明玻恩的概率的解釋，我們可以結(jié)合

5、具體的電子衍射實(shí)驗(yàn)在這一實(shí)驗(yàn)中，可以得出電子-電子流-波三者之間的有機(jī)聯(lián)系在實(shí)驗(yàn)中，人們控制電子束，使電子一個(gè)一個(gè)地穿過薄晶片再射到照相底片上實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：單個(gè)電子雖然能繞射到幾何陰影區(qū)內(nèi)，卻只能完全隨機(jī)地形成一個(gè)個(gè)斑點(diǎn)(一個(gè)電子對應(yīng)一個(gè)斑點(diǎn))，不能直接生成衍射圖樣；然而作為許多個(gè)電子累積的統(tǒng)計(jì)總和的粒子全體則可以得到衍射圖樣，這個(gè)圖樣顯示出電子的波動(dòng)性,從波動(dòng)觀點(diǎn)看，底片上衍射極大處，波的強(qiáng)度(即振幅平方)較大；從粒子觀點(diǎn)看，單個(gè)粒子在某處的出現(xiàn)是隨機(jī)的，但粒子總體則滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律在這里，可以用統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)看待單個(gè)粒子與粒子總體的聯(lián)系，并將波的觀點(diǎn)與粒子觀點(diǎn)結(jié)合起來了，但這里的波是特殊意義的波，因而

6、被稱為“概率波”這種對物質(zhì)波衍射與實(shí)物粒子的波粒二象性的理解，稱作統(tǒng)計(jì)解釋或概率解釋,量子力學(xué)的隱參量解釋 提出隱參量解釋的觀點(diǎn)的主要是玻姆這種觀點(diǎn)認(rèn)為，量子力學(xué)只給微觀客體以統(tǒng)計(jì)性的描述是不完備的，需要引入一些新的附加參量，以便對微觀客體作進(jìn)一步深入的描述，這些新參量稱做隱參量 玻姆把粒子看作是“客觀實(shí)在的”結(jié)構(gòu)，就象牛頓力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)一樣位形空間中的波在他的解釋中也是“客觀實(shí)在的”，就象電場一樣位形空間是牽涉到屬于系統(tǒng)的全部粒子的不同坐標(biāo)的一個(gè)多維空間玻姆又進(jìn)一步規(guī)定恒波相面的法線是粒子的可能軌道按照他的想法，這些法線中哪一條是“實(shí)在的”軌道取決于系統(tǒng)和測量儀器的歷史，并且如果對系統(tǒng)與測量儀

7、器的了解不比實(shí)際上能了解的更多的話，“實(shí)在的”軌道就無法確定這種歷史實(shí)際上包含了隱參量，它就是實(shí)驗(yàn)開始以前的“實(shí)際”軌道,玻姆所主張的隱參量解釋，企圖通過引入一些新的附加量隱參量來對量子力學(xué)作進(jìn)一步的深入描述，從而彌補(bǔ)現(xiàn)有量子體系的不完備性，與此同時(shí)，該派還不滿意概率表示和非因果性描述，試圖對微觀客體作出決定論性的因果描述到今天，雖然還未從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證隱參量是否真正存在，但就其理論本身在當(dāng)時(shí)科學(xué)界產(chǎn)生了強(qiáng)烈反響，得到了許多科學(xué)家的贊同,量子力學(xué)的隨機(jī)解釋 隨機(jī)解釋認(rèn)為，通過研究薛定諤方程與費(fèi)曼積分、馬爾科夫過程之間的聯(lián)系，認(rèn)為應(yīng)把量子力學(xué)解釋為一種經(jīng)典的概率理論或統(tǒng)計(jì)過程理論這些過程是隨機(jī)的，例

8、如，用布朗運(yùn)動(dòng)理論解釋不確定系 最早對量子理論作隨機(jī)解釋的薛定諤和隨后的玻普通過對隨機(jī)過程的研究認(rèn)為，波粒二象性的矛盾是由于波被看作是一種獨(dú)立的實(shí)在，如果波被看作是粒子系綜的集體特性，例如聲波那樣，就不存在矛盾了后來，他們借助量子場中的產(chǎn)生和湮沒過程，建立起一種推廣了的統(tǒng)計(jì)力學(xué)，由此推出量子力學(xué)的規(guī)律他們進(jìn)一步認(rèn)為波函數(shù)只是表示時(shí)空中事件出現(xiàn)的次序由于基本事件按其本性來講是分立地產(chǎn)生和消失的，所以這些次序的規(guī)律具有統(tǒng)計(jì)的性質(zhì)隨著統(tǒng)計(jì)電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典隨機(jī)體系與量子力學(xué)體系之間具有很大的類似性,薛定諤還認(rèn)為，只能把“客觀實(shí)在性”歸屬于波而不歸屬于粒子，并且不準(zhǔn)備把波僅僅解釋為“概波”因而他

9、認(rèn)為，只有位形空間中的波是通常解釋中的概率波，而三維物質(zhì)波或輻射波都不是概率波，但卻有連續(xù)的能量和動(dòng)量密度，就象麥克斯韋理論中的電磁場一樣薛定諤因此正確地強(qiáng)調(diào)指出，在這一點(diǎn)上，可以設(shè)想這些過程是比它們通常的情況更為連續(xù)在通常的量子論解釋中，它包含在從可能到現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)變中,量子力學(xué)的經(jīng)典或半經(jīng)典解釋 經(jīng)典或半經(jīng)典解釋是尋找量子力學(xué)與某種經(jīng)典力學(xué)理論之間的聯(lián)系，企圖用類似經(jīng)典理論的概念來解釋量子力學(xué)主要有下面的幾種看法：,1薛定諤的經(jīng)典波動(dòng)解釋 薛定諤是在德布羅意物質(zhì)波的論文的啟發(fā)下，把德布羅意波由自由粒子推廣到處在勢場中的粒子，最后得到以他命名的薛定諤方程式薛定諤反對量子力學(xué)的哥布哈根解釋，他用他

10、的理論說明他所認(rèn)為的波函數(shù)的概率解釋的缺陷，認(rèn)為物理實(shí)在是由波構(gòu)成的他甚至否認(rèn)分立的能級和量子躍遷的存在 薛定諤的經(jīng)典波動(dòng)解釋存在著一些問題，例如，他不能解釋波包擴(kuò)散問題，也不能解釋在測量過程中波包的“編縮”問題,2德布羅意的雙解理論 德布羅意認(rèn)為，量子力學(xué)中的波函數(shù)不能表示真實(shí)的物理客體，而只能提供粒子各種可能運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)情況他將自己的理論稱之為“雙解理論” 德布羅意一度曾放棄了自己的看法，他說是由于受到哥本哈根“正統(tǒng)”解釋的壓力60年代以來，德布羅意又重新申述他的觀點(diǎn)，并將他的看法與熱力學(xué)和相對論的觀點(diǎn)相聯(lián)系，提出了所謂“單個(gè)粒子的熱學(xué)”或粒子的“隱熱力學(xué)”，把粒子的運(yùn)動(dòng)和熵的變化聯(lián)系起來，

11、試圖建立一條他認(rèn)為能夠真正解釋目前量子力學(xué)的新途徑,3流體動(dòng)力學(xué)解釋 主張流體動(dòng)力學(xué)解釋的人把量子力學(xué)理論與流體動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者非常相似薛定諤方程推出后不久，有人就用流體力學(xué)方程推出薛定諤方程，并能反推 綜合上面三種經(jīng)典或半經(jīng)典解釋，很明顯，各派都力圖從經(jīng)典理論中找出量子力學(xué)的完備解釋，他們把經(jīng)典理論中的一些概念與量子力學(xué)聯(lián)系起來，通過其中的一些相似性，試圖建立一條他們認(rèn)為能夠真正解釋量子力學(xué)的新途徑,愛因斯坦與玻爾關(guān)于量子力學(xué)解釋的大論戰(zhàn) 愛因斯坦與玻爾關(guān)于量子力學(xué)解釋的不同觀點(diǎn)之間的大論戰(zhàn)是量子力學(xué)創(chuàng)建和發(fā)展過程中最具有代表性意義的一場爭論，因而本文特作比較深入完整的闡述和分析

12、 玻爾1918年提出對應(yīng)原理，認(rèn)為量子理論能以一定的方式同經(jīng)典理論一致起來即認(rèn)為原子保持量子狀態(tài)的特性和穩(wěn)定性有一定限度只有當(dāng)外來干擾的強(qiáng)度不足以把原子激發(fā)到較高量子狀態(tài)時(shí)，原子才顯現(xiàn)量子特征如果在非常強(qiáng)烈的干擾下，那么量子效應(yīng)的特性將完全消失，原子也就帶有古典性質(zhì)海森伯正是按這一原理和可觀察量是物理理論基礎(chǔ)創(chuàng)立了矩陣力學(xué)波動(dòng)力學(xué)也是通過量子和經(jīng)典的對應(yīng)性建立起來的,1927年海森伯提出“不確定關(guān)系”后，玻爾接著于同年9月在意大利科摩城召開的紀(jì)念伏打逝世100周年國際物理學(xué)會(huì)議上發(fā)表了題為量子公設(shè)和原子理論的晚近發(fā)展的演講，提出了著名的“互補(bǔ)原理”，引起學(xué)術(shù)界很大震動(dòng)互補(bǔ)原理認(rèn)為：微粒和波的概

13、念是互相補(bǔ)充的，同時(shí)又是互相矛盾的，它們是運(yùn)動(dòng)過程中的互補(bǔ)圖像玻爾特別指出，觀察微觀現(xiàn)象的特殊性，由于微觀客體中最小作用量子h要起重要作用，因此微觀客體和測量儀器之間的相互作用是不能忽略的這種相互作用在原則上是不可控制的，是量子現(xiàn)象不可分割的組成部分這種不可控制的相互作用的數(shù)學(xué)表示是“不確定關(guān)系”,這決定了量子力學(xué)的規(guī)律只能是概率性的為了描述微觀客體，必須拋棄決定性的因果性原理量子力學(xué)精確地描寫了單個(gè)粒子體系狀態(tài)，它是完備的玻爾特別強(qiáng)調(diào)微觀客體的行為有賴于觀測條件他認(rèn)為一個(gè)物理量或特征，不是本身即存在，而是由我們作觀測或度量時(shí)才有意義哥本哈根學(xué)派寫了大量文章，宣傳互補(bǔ)原理，提出了客觀不可分的觀

14、點(diǎn)他們還將互補(bǔ)原理推廣到生物學(xué)、心理學(xué)，甚至社會(huì)歷史各個(gè)領(lǐng)域，認(rèn)為互補(bǔ)原理是一切科學(xué)研究的指導(dǎo)思想 1927年10月24日至29日在布魯塞爾召開了第五屆索爾威會(huì)議，玻爾在會(huì)上又一次闡述了他的互補(bǔ)原理量子力學(xué)的哥本哈根解釋為眾多的物理學(xué)家所接受，成為量子力學(xué)的正統(tǒng)解釋但是在會(huì)上，互補(bǔ)原理卻遭到了愛因斯坦、薛定諤等人的強(qiáng)烈反對，開始了物理學(xué)史上前所未有的長達(dá)幾十年之久的愛因斯坦-玻爾大論戰(zhàn),實(shí)際上，愛因斯坦和玻爾的論戰(zhàn)從1920年4月就已經(jīng)開始了當(dāng)時(shí)，玻爾到愛因斯坦所在的德國柏林訪問，第一次與愛因斯坦會(huì)面他們兩人就量子理論的發(fā)展交換了意見，談話的主題是關(guān)于光的波粒二象性的認(rèn)識(shí)問題乍看起來，這次爭論

15、好象是愛因斯坦主張，完備的光理論必須以某種方式將波動(dòng)性和粒子性結(jié)合起來，而玻爾卻固守光的經(jīng)典波動(dòng)理論，否認(rèn)光子理論基本方程的有效性然而，仔細(xì)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)玻爾強(qiáng)調(diào)需要同經(jīng)典力學(xué)的觀念作徹底的決裂，而愛因斯坦則雖贊成光的波粒二象性，但卻堅(jiān)信波和粒子這兩個(gè)側(cè)面可以因果性地相互聯(lián)系起來,愛因斯坦堅(jiān)決反對量子力學(xué)的概率解釋，不贊成拋棄因果性和決定性的概念他堅(jiān)信基本理論不應(yīng)當(dāng)是統(tǒng)計(jì)性的他說，“上帝是不會(huì)擲骰子的”他認(rèn)為在概率解釋的后面應(yīng)當(dāng)有更深一層的關(guān)系，把場作為物理學(xué)更基本的概念，而把粒子歸結(jié)為場的奇異點(diǎn)，他還試圖把量子理論納入一個(gè)基于因果性原理和連續(xù)性原理的統(tǒng)一場論中去，因此他在第五屆索爾威會(huì)議上支持

16、德布羅意的導(dǎo)波理論，并且在發(fā)言中強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)不能描寫單個(gè)體系的狀態(tài)，只能描寫許多全同體系的一個(gè)系綜的行為，因而是不完備的理論,愛因斯坦精心地設(shè)計(jì)了一系列理想實(shí)驗(yàn)，企圖超越不確定關(guān)系的限制來揭露量子力學(xué)理論的邏輯矛盾玻爾和海森伯等人則把量子理論同相對論做比較，有力地駁斥了愛因斯坦1930年10月第六屆索爾威會(huì)議上，愛因斯坦又絞盡腦汁提出了一個(gè)“光子箱”的理想實(shí)驗(yàn)，向量子力學(xué)提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)玻爾經(jīng)過一個(gè)不眠之夜的緊張思考，終于發(fā)現(xiàn)可以用愛因斯坦自己的廣義相對論來回?fù)魫垡蛩固乖诘诙斓臅?huì)議上，玻爾指出愛因斯坦在自己的理想實(shí)驗(yàn)中忽略了自己的紅移公式愛因斯坦的挑戰(zhàn)再一次被駁倒，他不得不承認(rèn)量子力學(xué)的邏輯

17、一貫性此后，愛因斯坦轉(zhuǎn)而集中批評量子力學(xué)理論的不完備性,1935年5月，愛因斯坦同波多爾斯基和羅森一起發(fā)表了題為能認(rèn)為量子力學(xué)對物理實(shí)在的描述是完備的嗎?一文，提出了著名的以三位作者的姓的首個(gè)字母簡稱的“EPR悖論”，使這場論戰(zhàn)再次出現(xiàn)了一個(gè)高潮由于第二次世界大戰(zhàn)，論戰(zhàn)平息了一個(gè)時(shí)期1949年，為了紀(jì)念愛因斯坦70壽辰，玻爾在題為愛因斯坦：哲學(xué)家科學(xué)家的論文集中發(fā)表了就原子物理學(xué)的認(rèn)識(shí)論問題和愛因斯坦進(jìn)行的商榷一文，全面系統(tǒng)地闡述了自己的觀點(diǎn)，總結(jié)了他同愛因斯坦的論戰(zhàn)愛因斯坦在對批評的回答一文中，對玻爾的文章做了答復(fù)，批評了哥本哈根學(xué)派的實(shí)證主義傾向,直到愛因斯坦逝世后，玻爾還在內(nèi)心里繼續(xù)同愛

18、因斯坦論戰(zhàn)，玻爾去世的前一天晚上，他在工作室黑板上所畫的最后一個(gè)圖，就是愛因斯坦的“光子箱”草圖 以愛因斯坦和玻爾為代表的兩方論戰(zhàn)是科學(xué)史上持續(xù)最久、斗爭最激烈、最富有哲學(xué)意義的論戰(zhàn)之一，它一直持續(xù)到今天現(xiàn)在我們還不能作出誰是誰非的結(jié)論因?yàn)槲锢韺W(xué)中不同哲學(xué)觀點(diǎn)的爭論不能單靠爭論自身來解決，它最終要靠物理學(xué)的理論和實(shí)踐的進(jìn)一步發(fā)展來裁決現(xiàn)在我們只能說，爭論的雙方都既有正確的一面，也有不足或錯(cuò)誤的一面,哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)解釋是正確的，對觀客體波粒二象性的分析，以及互補(bǔ)原理的提出都對正確認(rèn)識(shí)微觀世界起了重大作用互補(bǔ)原理是符合辯證法的但是他們對微觀客體的觀測和儀器的作用夸大到不適當(dāng)?shù)某潭榷?/p>

19、有主客觀不可分的實(shí)證主義色彩哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的正統(tǒng)解釋，拋棄了機(jī)械的決定論和因果性無疑是正確的，但他們斷言微觀粒子只有統(tǒng)計(jì)規(guī)律，量子力學(xué)就是完備的描述、最終的描述似乎也為時(shí)過早其實(shí)，量子力學(xué)作為人們對物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)的一個(gè)階段，不論將來是否有對單個(gè)粒子決定性規(guī)律的描述，它將永遠(yuǎn)作為一個(gè)相對真理而存在正如量子力學(xué)的出現(xiàn)，并沒有拋棄經(jīng)典力學(xué)，只是說明了經(jīng)典力學(xué)的適用范圍，說明了它是一個(gè)相對真理一樣,愛因斯坦的深刻批評和嚴(yán)格檢驗(yàn)，推動(dòng)了量子理論的進(jìn)一步探討，他對哥本哈根學(xué)派的實(shí)證主義傾向所進(jìn)行的批評也不是無的放矢但是，他把規(guī)律的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)排斥在基本理論之外是不正確的由于他沒有完全擺脫機(jī)械論的影響，對量子力學(xué)懷有明顯的偏見，使他后來在某種程度上脫離了當(dāng)時(shí)量子理論發(fā)展的主流，這對他統(tǒng)一場論的研究也帶來了不良影響 總之，以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派與愛因斯坦關(guān)于量子力學(xué)的解釋的爭論，不僅使他們的解釋成為有關(guān)學(xué)派的主導(dǎo)思想，而且對于推動(dòng)量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展起了積極的、重大的推動(dòng)作用同時(shí)再一次佐證了科學(xué)是在學(xué)術(shù)爭論和實(shí)踐中向前發(fā)展的,結(jié)束語 對量子力學(xué)的解釋問題，自從量子力學(xué)產(chǎn)生以來，就一直是物理學(xué)界中爭論