量子物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)與哲學(xué)基礎(chǔ)(ppt 21)

1、 量子物理學(xué)是德國(guó)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(guò)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(wú)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(jì)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(zhēng)論，那就是波爾和愛(ài)因斯坦的對(duì)話。 愛(ài)因斯坦試圖保持關(guān)于世界的經(jīng)典的觀點(diǎn)，但波爾認(rèn)為這是不可能的。在這個(gè)爭(zhēng)論中，一個(gè)被稱為Gedanken的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題占有顯著的地位。Gedanken的

2、意思是思想，也就是說(shuō)只是在頭腦中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，這受限與當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件，但在激光出現(xiàn)之后，這個(gè)實(shí)驗(yàn)才成為現(xiàn)實(shí)，即所謂的雙柵實(shí)驗(yàn)。雙柵實(shí)驗(yàn)雙柵實(shí)驗(yàn)在高中的課程中就有上面的雙柵實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)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(guò)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(guò)雙縫后相互抵消的區(qū)域 2、明條紋的地方是光通過(guò)雙縫后相互加強(qiáng)的區(qū)域這個(gè)實(shí)驗(yàn)是沒(méi)有任何問(wèn)題的，但是當(dāng)用單個(gè)的粒子，也就是光的單個(gè)量子進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生哲學(xué)上的問(wèn)題例如：粒子會(huì)從兩條縫中的哪一條通過(guò)？當(dāng)粒子通過(guò)某一條縫時(shí)你怎么知道另一條縫此時(shí)是開著的還是關(guān)著的？ 事情往往如此：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，

3、又產(chǎn)生了一些新的在過(guò)去的討論中所沒(méi)有想到的新實(shí)驗(yàn)的可能性，并以此為基礎(chǔ)產(chǎn)生了新的觀念。這是個(gè)普遍現(xiàn)象。 量子力學(xué)就是研究這種隨機(jī)事件的，但是它所研究的隨機(jī)性又不同于經(jīng)典物理或日常生活中的隨機(jī)性，具有新的性質(zhì)： 1、量子力學(xué)研究的隨機(jī)事件不但是沒(méi)有原因的，而且連隱藏在背后的原因也沒(méi)有 2、偶然事件也沒(méi)有任何原因 也正是這些原因，讓包括愛(ài)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?cè)倩氐诫p縫干涉實(shí)驗(yàn)。前面說(shuō)從左面發(fā)射光線，通過(guò)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(wèn)題： 一個(gè)單獨(dú)粒子穿過(guò)縫隙，會(huì)有什么樣的情況出現(xiàn)？ 愛(ài)因斯坦試圖證明可以知道粒子是從那

4、條縫中通過(guò)的，而且如果收集許多粒子，就會(huì)形成要找的圖形。但是波爾已經(jīng)證明他錯(cuò)了。 而現(xiàn)在的觀點(diǎn)是： 信息對(duì)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(duì)于粒子的路徑選擇有任何信息，那么就不會(huì)有干涉。人們能否知道這個(gè)信息不重要，關(guān)鍵是到底有沒(méi)有這種信息的存在。 另一方面：如果沒(méi)有任何信息，無(wú)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(gè)理論很有意思，因?yàn)楦缮鏃l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(gè)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(gè)系統(tǒng)（用兩個(gè)骰子表

5、示）。當(dāng)去測(cè)量時(shí)，每個(gè)骰子都會(huì)給出一個(gè)完全隨機(jī)的結(jié)果。然而，一旦一個(gè)骰子被測(cè)定出來(lái)，對(duì)另一個(gè)骰子的測(cè)量 結(jié)果就被確定了。也就是說(shuō)只要一個(gè)粒子被測(cè)定了，另一個(gè)粒子的量子態(tài)就立即被確定了，不論兩者相距多遠(yuǎn)。 像這樣，多個(gè)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(shí)際中，例如：量子計(jì)算機(jī)。我們?cè)倩氐秸軐W(xué)的問(wèn)題上： 首先，量子力學(xué)是非常正確的，問(wèn)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(shí)的，而是關(guān)于信息的，關(guān)于知識(shí)的。 波爾說(shuō)，無(wú)論量子現(xiàn)象超出經(jīng)典的物理學(xué)解釋有多遠(yuǎn)，但是對(duì)任何事情的描述，都必須用經(jīng)典的術(shù)語(yǔ)來(lái)表達(dá)， 經(jīng)典的術(shù)語(yǔ)是指邏輯的陳述，即一個(gè)判斷是正確的，

6、還是錯(cuò)誤的。 因?yàn)闆](méi)有什么量子世界，只有一個(gè)抽象的量子物理學(xué)描述。 其次， 認(rèn)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(cuò)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(guò)我們的。就是說(shuō)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(lái)描述自然。 現(xiàn)在對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題有一種很簡(jiǎn)單的回答。這個(gè)問(wèn)題是物理學(xué)家和生物學(xué)家韋勒提出的。 問(wèn)題是：世界為什么是量子化的，最簡(jiǎn)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(dāng)我們描述某種情況時(shí)，就必須做判斷，就必須使用邏輯的前提，這個(gè)前提必須是一、二、三個(gè)等等，不能一點(diǎn)五

7、個(gè)前提；在計(jì)算機(jī)化的情況下， 也只能使用一、二、三等整數(shù)個(gè)比特。 由以上的觀點(diǎn)看出，信息在作出判斷時(shí)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(diǎn)判斷薛定鍔的貓的問(wèn)題，那么這個(gè)問(wèn)題就不存在了： 薛定諤設(shè)想了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)：將一只貓關(guān)在箱子里，箱內(nèi)還置有一小塊鈾、一個(gè)盛有毒氣的玻璃瓶，和一套由檢測(cè)器控制的榔頭所構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。鈾是不穩(wěn)定的元素，衰變時(shí)放出射線觸發(fā)檢測(cè)器，驅(qū)動(dòng)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(shí)衰變是不確定的，所以是處于疊加態(tài)。薛定諤挖苦說(shuō)：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(guò)一段時(shí)間以后，這個(gè)原子就會(huì)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(rèn)為的那樣是普遍適用的，那么這個(gè)貓也就處于死與活的疊加狀態(tài)。這個(gè)問(wèn)題經(jīng)常被人們錯(cuò)誤地表達(dá)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(diǎn)來(lái)看，我們所能說(shuō)的只不過(guò)是我們所具有的信息是這樣的。因?yàn)椴](méi)有客觀的方式來(lái)說(shuō)明貓是死是活，所以不能說(shuō)。我們對(duì)現(xiàn)實(shí)無(wú)法下判斷，只能對(duì)我們的知識(shí)下判斷。我們的知識(shí)說(shuō)，兩種結(jié)果都有同樣的可能性，我們對(duì)此無(wú)法區(qū)別。所以只能用疊加態(tài)來(lái)描述這種情況，我們無(wú)法獨(dú)立于實(shí)驗(yàn)而對(duì)真實(shí)發(fā)生的情況下判斷。 我們總是在談?wù)撐磥?lái)，未來(lái)的發(fā)展，但