2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：量子物理導(dǎo)論

量子物理導(dǎo)論量子物理導(dǎo)論“粒子的位置測(cè)定得越精確，它的動(dòng)量就知道得越不精確，反之亦然?！?/p>

——海森伯，1927年

薛定諤離開哥本哈根后，玻爾和海森伯繼續(xù)深入地討論了這些問題。在他們看來，電子有時(shí)象粒子，有時(shí)象波的表現(xiàn)仍然是一個(gè)嚴(yán)重的亟需解決的佯謬。“就象一位從某種溶液中一點(diǎn)一點(diǎn)地濃縮他的毒物的化學(xué)家那樣”，海森伯和玻爾不斷嘗試著“濃縮這種佯謬的毒性”，他們渴望知道大自然是怎樣避免矛盾的。夜以繼日的討論，以及彼此之間的意見不一使他們都徹底累壞了。1927年2月中旬，玻爾決定到挪威去滑雪，好讓彼此的精神都放松一下。這個(gè)決定很快被證明是十分明智的，因?yàn)椴痪弥?，海森伯便發(fā)現(xiàn)了不確定關(guān)系，而玻爾也在挪威大峽谷“找到”了互補(bǔ)原理。

玻爾與海森伯在討論海森伯發(fā)現(xiàn)，量子力學(xué)對(duì)基于經(jīng)典力學(xué)的那些物理概念，如位置和速度，施加了一種應(yīng)用限制。人們不再能同時(shí)談?wù)撾娮拥奈恢煤退俣?，因?yàn)樗鼈儾荒芤匀我饩缺煌瑫r(shí)測(cè)定，并且這兩個(gè)量的不確定度的乘積將大于普朗克常數(shù)除以粒子的質(zhì)量。這一關(guān)系后來被稱為海森伯不確定關(guān)系。有趣的是，泡利在1926年10月致海森伯的信中曾預(yù)先給出了一個(gè)更通俗的陳述，他說，“一個(gè)人可以用p眼來看世界，也可以用q眼來看世界，但是當(dāng)他睜開雙眼時(shí)，他就會(huì)頭昏眼花了。根據(jù)海森伯的看法，利用量子力學(xué)中的波函數(shù)所表示的電子態(tài)不允許人們賦予電子以確定的性質(zhì)，如位置、動(dòng)量等等。人們所能做的僅僅是談?wù)搸茁?，即在適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)條件下于某個(gè)位置找到電子的幾率，或發(fā)現(xiàn)電子的速度為某一值的幾率。

四、粒子和波是互補(bǔ)的“一些經(jīng)典概念的任何一種確定的應(yīng)用，都會(huì)預(yù)先排除另外一些經(jīng)典概念的同時(shí)應(yīng)用，而這另外一些概念在其他方面卻是闡明現(xiàn)象所同樣必需的?！?/p>

——玻爾，1929年

玻爾認(rèn)為，對(duì)微觀現(xiàn)象的說明必須利用互補(bǔ)性思想，粒子圖像和波動(dòng)圖像是對(duì)同一個(gè)微觀客體的兩種互補(bǔ)描述。具體地說，用不同實(shí)驗(yàn)裝置得到的關(guān)于微觀客體的資料可以詳盡無疑地概括關(guān)于微觀客體的一切可設(shè)想的知識(shí)，但是，當(dāng)企圖把這些資料結(jié)合成單獨(dú)一種圖像時(shí)它們卻顯得是相互矛盾的。于是，任何一幅單獨(dú)的經(jīng)典實(shí)在圖像，如粒子或波，都無法提供關(guān)于微觀現(xiàn)象的詳盡說明，人們只能用互補(bǔ)的經(jīng)典圖像來提供這種完備的說明。如果單獨(dú)使用粒子圖像或波動(dòng)圖像，它們的應(yīng)用必將受到限制，這種限制由海森伯的不確定關(guān)系所精確表征。玻爾的互補(bǔ)板凳1927年9月，在意大利科摩舉行的紀(jì)念伏打逝世一百周年的國際物理學(xué)會(huì)議上，玻爾首次公開闡述了他的互補(bǔ)性思想。同年10月，在布魯塞爾召開的第五屆索爾維會(huì)議上，互補(bǔ)性思想開始被大多數(shù)物理學(xué)家所贊同和接受。玻爾的摯友艾倫菲斯特后來回憶說，“玻爾完全超越了每一個(gè)人，他起初根本沒有被理解，……然后就一步一步地?fù)魯×嗣恳粋€(gè)人?！?/p>

五、誰坍縮了波函數(shù)？狄拉克：“自然將隨意選擇它喜歡的一個(gè)分支，因?yàn)榱孔恿W(xué)理論給出的唯一信息只是選擇任一分支的幾率?！辈枺骸巴耆斫狻麄€(gè)問題就在于，通過實(shí)驗(yàn)，我們引入了某種不允許繼續(xù)進(jìn)行的東西。海森伯：“我不同意這一點(diǎn)……我寧愿說，觀察者本人進(jìn)行選擇，因?yàn)橹钡阶龀隽擞^察的那一時(shí)刻，選擇才成為一種物理實(shí)在?！?/p>

——第五屆索爾維會(huì)議上的討論，1927年10月狄拉克認(rèn)為，波函數(shù)坍縮是自然做出的選擇，而海森伯則認(rèn)為它是觀察者選擇的結(jié)果。玻爾似乎同意狄拉克的觀點(diǎn)，然而他更關(guān)心的是量子力學(xué)的普遍的互補(bǔ)性特征，他尤其強(qiáng)調(diào)了關(guān)于物理量的定義和觀察的互補(bǔ)性質(zhì)。在玻爾看來，離開觀察人們便不能談?wù)撊魏螙|西，這