什麼是量子力學

量子力學是物理學的一個很重要的理論,它和經典力學是完全不一樣的理論。

在過去很長一段時間裡,我們常把二十世紀以前的物理學稱之為“經典物理學”。把二十世紀誕生的兩個物理學理論,即相對論和量子力學,稱作為非經典物理學。但是,經過將近半個世紀的探索,物理學界最終取得一個認同,把只要是不具有量子力學效應的物理理論,包括非量子化的相對論,都叫做“經典物理學”。因此,“經典”二字指的是“不具有量子效應”!為什麼相對論和牛頓力學都可以劃到經典力學裡面去呢?我們來看看,相對論和牛頓力學除了有不同之處外,還有什麼相同之處。

事實上,相對論和牛頓力學都是認為客觀世界是決定論的,只要我們知道某個時間下,整個宇宙的狀態函式,然後知道了宇宙的動力學方程,那麼我們就能準確預測出下一個時刻(很短的時間間隔)的宇宙是什麼樣的。這就是拉普拉斯決定論。但是這麼樸素的想法,在量子力學卻無法做到!量子力學的一個很重要假設就是,無論時間多麼短,我們都無法準確知道在這樣段時間後的宇宙究竟是什麼樣!這就是非決定論。

非決定論來自於量子力學的一個重要假設:一切物理狀態皆由波函式給出,而且波函式服從玻恩詮釋。玻恩詮釋指的是波函式的複數模平方等於在單位體積內粒子能出現的概率。這個說法和數學裡面的概率有一些相似。沒錯,物理學自量子力學建立那天起,就在也離不開概率,或者說再也無法避免概率的陰霾。這條假設的後半句,到現在都沒有人真正理解其背後的物理機制!為什麼波函式會服從玻恩詮釋,是什麼原因導致概率出現。這些問題其實一直無法被物理學家清晰而明確地解決。

量子力學另一個神奇的假設是關於疊加原理的,這個原理一般會引起很大的歧義:波函式可以分解為一系列相干波的線性疊加。這裡面的歧義就是,雖然它和經典力學裡面波的疊加原理很像,但是卻不是一回事。經典力學的疊加原理是讓兩列波相加,但是加的結果和原本兩列波沒有一分錢關係!而量子力學卻不是,在量子力學裡面,波相加的結果是:新的波可以是原來兩列波中的任何一個,也可以同時是兩列波。這個很抽象,用巨集觀現象類比就是,經典力學認為一個杯子要麼處於地上要麼處於桌子上,二者只能居其一;但是量子力學認為,杯子既可以在地上又可以同時在桌子上,二者可以兼得!

說了這麼多都是關於量子力學的假設,那量子力學到底是什麼?量子力學其實是基於微觀粒子的波粒二象性的一種物理理論,它的研究物件是微觀粒子極其組成的客觀實體。因此,無論是巨集觀還是微觀,都屬於量子力學的研究範疇!這裡面有一個名詞:波粒二象性。什麼是“波粒二象性”?它指的是,對於粒子和波來說,都是既具有波動性,又具有可局域化的粒子性。對於粒子來說,我們可以指著空間一點說,這一點有一個粒子,其附近空間裡沒有粒子;而波則不行,波是空間裡面一種集體行為,不能說一個點上有波,其他點就沒有波。但是,真實的粒子卻兼具著兩個性質。這才是量子力學神奇之處!我曾經討論過如何理解“波粒二象性”,波粒二象性是不能按照經典力學的粒子和波的理解方式來理解的,也就是說,我們要放棄經典力學的粒子觀和波動觀,建立屬於量子力學的波和粒子。也就是說,量子力學裡面的粒子和波都是既有集體行為,也有局域性的。

量子力學是一個十分成功的理論,二十世紀科技革命,和量子力學的關係遠遠大於和相對論的關係。從核武器的研製成功,到半導體技術,隨處可以看到量子力學的身影。可以說量子力學是一個無所不能的理論。化學、生物也都在量子力學建立以後和物理學相互融合——也可以說物理學開始吞併化學和生物了。

猜你喜歡