[原创]浅论量子论的基本观点

长歌－废墟

　　　　　　　　　　　浅论量子论的基本观点　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　谁不为量子理论感到迷惑，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　谁就没有真正理解量子理论
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   ——Ｎ．Bohr
　　量子理论是复杂的，而关于量子理论的哲学基础更是复杂中之最复杂的；从量子力学被建立的那一天开始，量子理论中所体现出的令人迷惑的特性就困扰了许多非常优秀的物理学家与哲学家——其中包括上个世纪最杰出的两位物理学大师：爱因斯坦与玻尔，和几乎所有的量子力学的创始人——他们都先后获得了诺贝尔物理学奖。笔者自然不能奢望在短短的文章中解决什么，只是借这篇文章介绍一下量子力学的基本观点。
一、经典物理的基本观点：实在与确定
　　这里所指的经典物理的基本观点并不是指任何一条基本的物理定律，而是指在经典物理时期物理学家对于这个世界的基本看法。经典物理时期物理学家的基本看法，粗略的说都来源于(或者是人们认为来源于)牛顿这个伟大的人物，因此将其简单的说成是牛顿主义——除了对法拉第等场论学者有些不公平外——并没有什么不妥[1]。虽然人们在论述牛顿主义的时候经常引用的是大数学家拉普拉斯的名言，但是我却发现这样论述更加恰当：“牛顿主义甚或整个科学最深层的意义和目标，恰恰就是要粉碎一个‘或多或少’的世界，一个充满质和感觉的世界，一个沉醉于日常生活的世界；取而代之的则是一个精确的、可以被准确度量、并且被严格决定了的(阿基米德式的)宇宙[2]。”经典物理的基本观点就是实在——世界是一个实际存在的世界，而物理定律就是这个实在世界所具有的规律——和确定：这个世界是被物理定律高度精确的确定的，只要给定了起始的条件，以后的发展在原则上就完全被物理定律以任意精度确定了。当然这两个基本观点中世界的实在性是第一位的，即使到量子力学建立以后，也没有几个物理学家愿意否定世界的实在性，否定实在性几乎等于否定他们自己所有的工作；而确定性则是现在的所谓主流物理学家所不屑一顾的[3]。
二、量子力学的“哥本哈根”诠释：确定性的丧失
　　量子力学建立于上世纪的二十年代，经过二十多年的努力，量子力学的基本方程在那个时代得以建立。但是与经典物理的历史不同，量子力学的哲学基础甚至是它的物理量所代表的意义在物理学家以及哲学家中间引起了一场旷日持久的争论，至今没有平息。
　　引起广泛争论的有两个主要问题：“波粒二象性”的波函数的意义与观测。由于现在被认为主流的波函数是由玻恩提出而由玻尔——用互补性原理，即：波与粒子是同一物质互补的两面，这两方面合在一起构成对物质的完整描述——完善的统计解释，所以主流的量子力学诠释以量子物理“精神导师”玻尔的物理研究所命名，被称为“哥本哈根”诠释。当年量子力学的创始人之一玻恩提出的统计解释是：波函数在某一时刻在空间某一点的强度，即振幅绝对值的平方与在这一点中找到粒子的几率成正比，和粒子相联系的波是几率波[4]。注意：虽然在经典物理中的统计力学也与几率打交道，也用几率描述系统，但是这只是因为统计力学描述的是大量粒子的行为，在每一个粒子这个个体上仍然完全符合经典力学的规律，具有完全确定的运动规律[5]；而量子力学甚至在粒子的个体行为中引入了几率，我们不再有关于个体粒子的精确运动的知识，个体运动从根本上都是随机的，是随机事件[6]，诸如“轨道”一类用以精确描述粒子运动的词语也不再有意义，在量子力学中即使提到“轨道”也最多是一种近似的描写。
　　量子力学的“哥本哈根”诠释由于与经典物理的经验相差太远，理所当然的遭到一批物理学家的反对，其中最有名的当然是二十世纪最著名的物理学大师量子理论的创始人之一：爱因斯坦。应该说，爱因斯坦的反对并不是像有些人所认为的那样是出于顽固，而是出于自己对物理世界的信念；强调爱因斯坦对量子力学的反对是基于他对量子力学深深的理解。他主要怀疑的不是量子力学的自恰性——他在量子力学自恰性的考虑自1931年玻尔反驳了他的“钟盒”思想实验后就基本结束了——他以后几乎没有怀疑过量子力学的自恰性[7]。
三、爱因斯坦——玻尔对话：岌岌可危的实在
3.1  观测：奇异的观测
   爱因斯坦与玻尔在上个世纪三十年代关于量子力学基础的争论，是二十世纪最著名的一场最著名的科学论争，他们论证的焦点是量子力学是否完备，即量子力学将个体的运动规律归结于几率是否完备。虽然爱因斯坦反对量子力学的几率特点，但是更加让他感到忧虑的是隐藏在几率背后的量子力学固有的“观测”问题。
　　首先：量子力学对于任何一个过程只是根据起始条件，给出了这个过程可能到达的结果的概率，而对于从开始到结果的过程本身不给出任何描述。举一个大家在高中的物理最后学到的玻尔的量子轨道的例子：在最后完成的量子力学中，如果原子“轨道”（事实上“轨道”这个词是不准确的。）上的一个电子受到了某种“扰动”，那么它必然会有一定的概率“跃迁”到别的“轨道”，根据起始条件用量子力学可以原则上可以算出这概率。但是量子力学没有给出“跃迁”这个过程的任何描述，而在经典物理中根据起始条件原则上我们不但知道最后的结果，我们还能知道这个过程任意时刻电子的位置。第二：根据量子力学“哥本哈根”诠释，我们知道最后粒子处于指定状态的概率，但是我们只有通过“观测”使波函数“坍缩”才能确定电子到底在何状态，而在观测之前电子不属于任何状态。这就是我们不能观测到电子“跃迁”的原因，因为我们一旦进行了观测，电子就必然的处于某一具体状态。大家注意“观测”这个词是带有主观色彩的，是人为的，量子力学的任何主观色彩与最难理解的地方都来源于“观测”。我以著名的“薛定谔的猫”为例：将一只可怜的猫放在一个暗箱中，其中还有一瓶毒药，用一根只要一个光子打中就会断的线系着。现在放一个光子进入暗箱，我们从任何角度都会知道猫要么为科学牺牲了，要么还幸运的活着。但是量子力学坚持告诉我们在观测前猫是半死半活的。事实上，问题更加严重：由于“观测”是一种描写体系外的生物对体系的一种行为，而如果承认量子力学的普遍有效性，那么由于我们生存的宇宙肯定处于某一个的状态，就必须认为在我们的宇宙之外有某些东西对我们的宇宙进行着观测。简单的说，在这种逻辑中，粒子由于我们的观测而处于某一个在量子力学的意义上确定的状态，反过来，我们由于也处于某一确定状态，所以我们也必定被某些东西观测着[6]。也就是说在量子力学中不存在与观测无关的实在。
3.2  EPR佯谬：整体性与玻尔的回答
　　爱因斯坦与玻尔的论争高潮是1935年，爱因斯坦与人合作写的一篇名为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的论文，在这篇论文短短的两节中，爱因斯坦驳斥了量子力学的完备性，并且指出在坚持定域性(即没有信号传播速度能超过光速)的条件下，量子力学不能自恰[8]。原因在于：在量子力学中如果两个物理量A、B是不可对易的，那么这两个物理量就不可能同时以概率为1的方式被测定。现在考虑一个粒子处于物理量A的本征态，那么物理量A不需要观测即可以概率为1的方式确定它的状态，即有一个物理实在要素与物理量A对应；而同时物理量B将完全不能在数学上得到确定，只能依靠观测确定，观测的同时观测的行为又改变了粒子所处的状态；量子力学不承认不能被观测到的物理量的存在，于是要么量子力学的描述是不完备的；要么物理量A、B不同时具有物理实在性。爱因斯坦在论文的第二节巧妙的通过构造一个二粒子体系，经过考察发现即使这两个粒子分隔距离很远，它们之间也存在一个可以瞬息传到对方的信号。
　　对于这篇论文提出问题(即EPR佯谬)当时的科学与技术水平还无力进行检验，但是玻尔随即在同一刊物上发表了同样名字的论文进行了理论上的反驳[9]：他认为关键在于在量子力学中实验的环境与被观测的粒子是一个整体的，因此虽然两个粒子被分开很远，但是这并不能表明这一对粒子就没有任何联系，因为当对粒子对中的B描述时，必须将已经对粒子A进行过测量作为实验的一个环境条件加以考虑[6]。至于实在性玻尔认为：在对某个量子实体进行测量之前，就把一组完全的属性委归于它是没有意义的，我们不能在测量之前就说物体具有物理量A或是B的某个值，当我们测量物体的物理量A之后，物理就不具备物理量B[6]。简单的说玻尔的意思是物理学不再告诉我们知道自然界什么，而是我们能够对自然说什么[7]。
　　爱因斯坦对于玻尔的这种哲学是不能接受的，他曾经称之为“绥靖哲学”，但是年轻一代的物理学家大部分接受了量子力学的“哥本哈根”诠释，却也有小部分物理学家跟随爱因斯坦的哲学观点，试图改进或者推翻“哥本哈根”诠释。虽然以笔者的学力对大师们的思想是没有发言权利的，但是，我还是要说在我看来玻尔的哲学更多的倾向实证论，要想既接受玻尔的哲学又坚持完全的实在论对于任何人来说都是不容易的。
四、爱因斯坦与玻尔以后的时代：隐变量理论、贝尔定理及其它
　　1962年11月18日，玻尔在家中突然因为心力衰竭逝世；他的逝世标志着那个物理学英雄时代的结束，后爱因斯坦、玻尔时代的开始。虽然从内容上说，物理学得到了广泛的发展，但是这个时代再也没有出现像这两位大师一样的伟大人物。在量子力学基础方面最重要的事情无过于贝尔定理以及它的实验检验。
　　量子力学的“哥本哈根”诠释提出以后，物理学家大致被分为两大派别。大多数数学与物理学家完全接受了“哥本哈根”诠释，并将它作为对于量子力学的最佳诠释而使用，当中有一些非常优秀的数学家甚至企图从数学上证明量子力学是完备的：最成功的是冯.诺依曼在1932年建立的一条定理，直到20年后才最终弄明白，虽然冯.诺依曼的定理在数学上无可挑剔，但在物理上确是一种循环论证；后来虽然还有数学家努力的推广、修改冯.诺依曼的定理，并取得了一部分成功，但是从根本上说还不足以从数学上论证量子力学的完备性[4]。
　　有一小部分物理学家和爱因斯坦一样拒绝接受量子力学的完备性，认为量子力学之所以得出统计的解释是因为有一些隐藏的变量没有得到观测，如果观测了这些变量，我们就能以确定的方式预言粒子的行为，这种理论被称为隐变量理论(顺便说一句爱因斯坦自己从来没有提到过隐变量理论[7]。)。在上个世纪提出的形形色色的隐变量中最出色的是玻姆提出的理论，在这个理论中他引入了一个量子势，该理论能够给出与量子力学完全相同的预言，只不过使该预言有了一种经典物理学习惯的决定论的特点，遗憾的是这个理论由于与量子力学有着完全相同的预言，所以对它是谈不上什么实验检验的，更加让人无法接受的是该理论必须把测量干扰归结为量子势的瞬时超距作用，即它不能满足爱因斯坦的定域性要求[4]；虽然也有人不断的改进玻姆的理论但也没有彻底成功。
在物理中一个理论是否成功当然要看它与理论的符合程度。1964年贝尔利用爱因斯坦所要求的实在性与定域性证明了一个不等式即贝尔定理，如果存在完全满足爱因斯坦要求的隐变量理论那么实验结果必定满足这个不等式，而违反量子力学的预言。自1972年以来人们已经做了一系列的实验检验贝尔不等式，大多数的结果违反贝尔不等式而与量子力学相符[4]。这样就可以排除与测量、环境和实验前后安排无关，决定论的定域的隐变量理论。
五、终结：哲学
　　量子力学的基础是一个非常复杂的问题，自量子力学诞生以来就是争论不断，有很多优秀的物理学家，在上面呕心沥血，都没有最后的结论，这个问题有时候看上去更加像是哲学问题。不管怎么说，将量子力学与整体论的哲学联系起来看来是有好处的，若是将其与神秘论联系起来则多少显得有些愚蠢。
谨以此文纪念2005世界物理年，纪念那个“英雄时代”中所有的英雄，由于他们的努力使人类的科学完全不一样了，我们应该感谢他们。
也纪念我家的小狗——宝宝，在它陪伴我的十年里，它给了我无数的欢乐，我深深的想念它。
参考文献
[1]　 《法拉第传》　约瑟夫．阿盖西著　鲁旭东　康立伟译　商务印书馆（北京）　2002年4月第1版
[2]　 《牛顿传》　理查德．韦斯特福尔著　郭先林　尹建新　王建新译　中国对外翻译出版公司　1999年7月第1版
[3]　《物理实在论》　洪定国著　商务印书馆(北京)　2001年11月第1版
[4]　《量子力学》　苏汝铿著　复旦大学出版社　1997年6月第1版
[5]　《玻尔兹曼——笃信原子的人》　卡罗．切尔奇纳尼著　胡和新译　上海科学技术出版社　2002年7月第1版
[6]　《原子中的幽灵》　戴维斯　布朗编　易心洁译　湖南科学技术出版社　1992年2月第1版
[7]　《“上帝难以捉摸……”——爱因斯坦的科学与生活》　阿布拉罕．派依斯著　方在庆　李勇等译　广东教育出版社　1998年12月第1版
[8]　《爱因斯坦文集（第一卷）》　许良英　范岱年编译　商务印书馆（北京）　1976年1月第1版
[9]　《量子力学新进展(第一辑)》　曾谨言　裴寿镛主编　北京大学出版社　2000年7月第1版

长歌－废墟

量子理论中涉及的关于客观世界的实在性问题过于复杂，我认为要又接受玻尔的互补性哲学，又彻底的坚持唯物的思想和在悬崖上走钢丝差不多。不知道中国的先哲们对这个问题是怎么认为的，论坛上不乏历史高手，不妨设想一下先哲面临这个困境会怎么说，不过，我想大概两个世纪以前的人们无论是科学家还是哲学家都不会想到有朝一日物理学会如此的奇怪。

coolsila

写得不错的一篇科学史，只不过书园懂人文史的居多，就是大部分学过量子力学的理工科班出身的也早就被左右括号的什么理论给搅晕了吧～～～

cycle_zzy

搞物理和数学不必为“唯物”、“唯心”、“唯屁”的问题烦扰，长歌兄以为如何？

benysu

长歌兄的物理文章是这里除了史学类外的另一道风景。

长歌－废墟

下面是引用cycle_zzy于2005-10-07 12:22发表的:
搞物理和数学不必为“唯物”、“唯心”、“唯屁”的问题烦扰，长歌兄以为如何？

cycle兄说的有点道理，但是不管承认不承认人们的基本观念会对人们在基础科学上的成就产生影响，虽然爱因斯坦自己评价黑格尔是“一群醉汉的胡言乱语”，但不可否认他对于量子力学的反对是有着哲学或者更广泛的说是对世界本原看法的影响，另外数学虽然能够明确的告诉人们某个数学的结果，但是要将数学结果还原成物理问题，某个现象的解释则必然是要借助某一种哲学观念的。可以想象，如果万有引力公式不是被解释成某一种力，而是其它莫名其妙的东西，那么科学的历程又会大不一样了。所以，哲学还是对科学家的思维方式有影响的，爱因斯坦与玻尔晚年也时常为了某些颇为哲学化的思想辩论。

cycle_zzy

长歌兄所言甚是，有些东西，到一定的层次就是自然而然的了，你看那么多传记（顺便问一下，Money&Time是怎么解决的？），有些人不能简单归为数学家或物理学家，例如，爱因斯坦的数学成就——统计涨落原理的深入应用（成功解释布朗运动等）、非欧几何的应用（不用说了）等等；再看麦克斯韦，你说他到底是啥学家？

我近年看了些心理学方面的书，越发糊涂了，你说，心理学这东西是唯啥的？

长歌－废墟

下面是引用coolsila于2005-10-07 07:58发表的:
写得不错的一篇科学史，只不过书园懂人文史的居多，就是大部分学过量子力学的理工科班出身的也早就被左右括号的什么理论给搅晕了吧～～～

哈哈，原来cool兄真是内行啊，连什么括号都明白，有时间多多指教啊^_^确实我虽不是物理科班出身，但自学量子力学时也确实明白那些对易非对易的一套数学很容易让人迷失在数学的领域，但是也幸好我不是物理或数学科班出身，搞不了过于复杂的数学东西，所以才会关注他们不关注的东西啊。

coolsila

cycle_zzy兄也可以向长歌兄学习，来点弗诺依德的心理学哈～～～

搞物理和数学还是需要“唯心”的，提出一个理论得考虑逻辑是否严密，涉及对象是否完备，不来点“唯心”是干不成的。还要考虑将理论与现实世界如何挂钩，不“唯物”也说不过去吧～～～

coolsila

长歌兄，偶可是量子力学的外行哈～～～

偶记得考试这门课之前，老师将考题写在黑板上，口头讲解了答案，可偶还是只考了60分哈～～～

长歌－废墟

下面是引用cycle_zzy于2005-10-07 16:40发表的:
长歌兄所言甚是，有些东西，到一定的层次就是自然而然的了，你看那么多传记（顺便问一下，Money&Time是怎么解决的？），有些人不能简单归为数学家或物理学家，例如，爱因斯坦的数学成就——统计涨落原理的深入应用（成功解释布朗运动等）、非欧几何的应用（不用说了）等等；再看麦克斯韦，你说他到底是啥学家？

我近年看了些心理学方面的书，越发糊涂了，你说，心理学这东西是唯啥的？

唉，麦克斯韦他们可以算是通才了，而且以现在物理中对数学的运用程度而言，一个一流的物理学家也一定会是一个一流的数学家，兄应该知道作为弦理论的领袖——威藤，获得的是数学最高奖菲尔兹奖。只可惜现在连真正精通数学所有门类的数学家都没有了，更谈不上所谓的通才了，我最佩服欧拉，这位精通的门类光报个名就可以吓一跳了，真是难以想象的多。不知何时能再见到如此通才。说句题外话：我倒是希望如此通才能出现在中国，但是以中国现在的考评体制，恐怕即使真有欧拉的才干有会没饭吃的。
至于传记，说句不怕兄笑话的话，我从小身体不好，不能剧烈运动，只能选择在家安静看书，科学家的传记自然是首选，我迷恋物理学家的事迹少说也有十年了，高考时曾强烈的想考物理专业，但是被家人所阻（或许这是我迄今最后悔的一件事了。）后来在大学我买到了一些相当好的传记，特别是那本美国人写的爱因斯坦传记，实在是好，我受它鼓励硬是自学了四大力学，半生不熟的，自知在物理上恐怕再无机会有所成就，为“往圣继绝学”是没希望了，总可以为他们做点事。又十分气愤中国一些打着“民间科学家”的旗号乱说一气的人，所以就研究物理与数学的历史希望可以为抵制这些歪理作点贡献，让他们知道想超越爱因斯坦并不是乱说，乱提一些根本就是猜测的所谓理论就可以的。另外也能找到一些外国与中国古代的科学走上完全不同道路的原因与比较，能总结点经验也是好的，说句大一点的，也算是做点贡献吧，小处我至少可以在论坛上“骗”威望啊^_^。顺便问一句：兄有没有出色的麦克斯韦传记，我一直缺少一本好的，十分遗憾。
心理学我不懂，所以兄这是“问道于盲”了，但大概凡是科学总是以事实为依据的吧。

长歌－废墟

下面是引用coolsila于2005-10-07 22:59发表的:
长歌兄，偶可是量子力学的外行哈～～～

偶记得考试这门课之前，老师将考题写在黑板上，口头讲解了答案，可偶还是只考了60分哈～～～

因为cool兄没被那些括号搅晕啊^_^。原来cool兄真是学物理的（？）我可是班门弄斧了，一定请多多指教。

coolsila

长歌兄的识人理论还不够完备，并不是学过量子力学的就是学物理的，偶不是学物理的～～～

长歌－废墟

下面是引用coolsila于2005-10-07 23:30发表的:
长歌兄的识人理论还不够完备，并不是学过量子力学的就是学物理的，偶不是学物理的～～～

会教这门量子力学的专业，离物理再远能远到哪里？cool兄不要谦虚啊。

cycle_zzy

长歌兄：

老麦的传记我只见片断，连独立成册的都没，羞愧（M&T不允许我见“好”就“收”）

“美国人写的爱传”是否是Abraham Pais写的那本？

其实，搞数学、物理成功的老外要么衣食不愁，要么有贵人相助，方能静心深潜。从这一点，法拉第和拉马努金就很不容易了，拉马努金要是能多活二十年，恐怕数学都要多出好多分支来。

中国除了在华罗庚的引导下狠立了一个陈景润，还有谁在国内弄出成果了？欧拉到中国，恐怕连个高级职称都评不上，连篇文章都发不成，更别说法拉第喽，技工都混不上！省身大师早期在国内能成器吗？也许我太偏激悲观了些些！兄未上物理专业，恐怕也是塞翁失马，我当年也为未能上数学专业而心怀恨恨，现在看，爱过，就当怀一颗平常心。

民间科学家——国家**院，哈哈，欺骗、腐败～～悲……

coolsila

呵呵，长歌兄的推理有点道理，假如物理是原子的核心，偶学的就是围绕原子核做布朗运动的最外层轨道上的电子～～～

长歌－废墟

cycle_zzy兄好眼力我说的就是Abraham Pais写的那本，哈，当年它出版的时候不便宜，我吃了半个月的方便面才买下的，第一本被翻烂了，我刚买了商务重版的那本。老麦的传记的传记我只在图书馆看过薄薄几十页的一本（很旧了）很不过瘾，这么杰出的人物没传记，而什么明星的传记满天飞，真不知道现在的出版社除了向钱看齐还能干什么。没考上物理遗憾的确，但就如兄所说未必不是福气啊。中国现在恐怕连谈什么学术腐败的资格都快没了，我的老师整天就是接工程赚钱，哪有心思搞学术啊，要是兄写的大师出生在现在中国恐怕是科学的不幸！但是我还是想尽一点努力。
cool兄就是谦虚，其实我从兄转的那篇数学的文章就隐约猜到了一点，一个人在隐藏对自己熟悉的领域总能显示出与我等业余的不同之处来^_^。

物虚生

不懂！长歌兄多发些帖子给我扫扫盲！

长歌－废墟

下面是引用王昆吾于2005-10-08 01:15发表的:
不懂！长歌兄多发些帖子给我扫扫盲！

哈哈，还是有劳昆吾兄和学究兄给我上点历史课先，让我先扫盲吧。至于我写的这东西我还要靠这“骗”两位版版的威望，所以我会拿出“骗”的诚意的。^_^
顺便问一句：那位兄弟有李约瑟博士写的中国科技史啊？