等效原理 等效原理
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薛定谔猫的生与死 薛定谔猫的生与死 沈致远 乍看这个题目,以为是在开玩笑,其实这是一个严肃的科学问题。英国著名科学杂志《自然》(Nature)最近刊登了两篇文章专门讨论这个问题,其中一篇评论文章的题目就是:“薛定谔猫变胖了”[1]。 什么是薛定谔猫?这要从头说起。薛定谔(E.Schrdinger ,1887—1961)是奥地利著名物理学家、量子力学的创始人之一,曾获1933年诺贝尔物理学奖,薛定谔猫是他在1935年提出的关于量子力学的一个佯谬[2]。这些年来许多物理学家绞尽脑汁,试图解开这个佯谬。直到最近经过一系列精巧的实验,这个问题才逐渐有了眉目。2000年7月,《自然》报道了最新的实验结果。 量子力学是描述原子、电子等微观粒子的理论,它所揭示的微观规律与日常生活中看到的宏观规律很不一样。处于所谓“叠加态”的微观粒子之状态是不确定的。例如,电子可以同时位于几个不同的地点,直到被观察测量(观测)时,才在某处出现。这种事如果发生在宏观世界的日常生活中,就好比:我在家中何处是不确定的,你看我一眼,我就突然现身于某处——客厅、餐厅、厨房、书房或卧室都有可能;在你看我之前,我像云雾般隐身在家中,穿墙透壁到处游荡。这种“魔术”别说常人认为荒谬,物理学家如薛定谔也想不通。于是薛定谔就编出了这个佯谬,以引起注意。果不其然!物理学家争论至今。 薛定谔猫佯谬是一个设计巧妙的理想实验:将一只猫关在箱子里,箱内还置有一小块铀、一个盛有毒气的玻璃瓶,以及一套受检测器控制的、由锤子构成的执行机构。铀是不稳定的元素,衰变时放出射线触发检测器,驱动锤子击碎玻璃瓶,释放出毒气将猫毒死。铀未衰变前,毒气未放出,猫是活的。铀原子在何时衰变是不确定的,所以它处于叠加态。薛定谔挖苦说:在箱子未打开进行观测前,按照量子力学的解释,箱中之猫处于“死-活叠加态”——既死了又活着!要等有人打开箱子看一眼才能决定猫的生死。这个理想实验的巧妙之处,在于通过“检测器-锤子-毒药瓶”这条因果链,似乎将铀原子的“衰变-未衰变叠加态”与猫的“死-活叠加态”联系在一起,使量子力学的微观不确定性变为宏观不确定性;微观的混沌变为宏观的荒谬——猫要么死了,要么活着,两者必居其一,不可能同时既死又活!难怪英国著名科学家霍金听到薛定谔猫佯谬时说:“我去拿枪来把猫打死!” 薛定谔猫佯谬实际上提出了一个十分重要的问题:什么是量子力学的观测?观察或测量都与人的主观有关,而人在箱外,所以必须打开箱子才能决定猫的死活。谁都知道箱中猫的死活是由铀的衰变决定的——衰变前猫是活的,衰变后猫就死了,这与是否有人打开箱子进行观察毫不相干。所以毛病出在观测的主观性上,应该朝这个方向寻根究底。 微观的观测与宏观的观测有所不同。宏观的观测对被观测对象没有什么影响。俗话说:“看一眼总行吧。”意思是对所看之物并无影响,用不着担心。微观的观测对被观测对象有影响,会引起变化。以观测电子为例,要用光照才能看见,光的最小单位光子的能量虽小但不是零,光子照到被观测的电子上,对电子的影响很大。所以,在微观世界中看一眼也会惹祸! 量子力学认为,观测的结果使得被观测对象的状态改变了:一个确定态从原先不确定的叠加态中蹦了出来。再追究下去,观测无非是观测手段(如光子)与被观测对象(如电子)之间的一种相互作用,这种相互作用并不一定与观测者联系起来,后者可以用检测器之类的仪器代替。经过几十年的探索,物理学家终于认识到:在由叠加态到确定态的转变中,观测曾经扮演的角色应该以相互作用来代替,这样不仅更普遍而且更客观。具体到薛定谔猫佯谬,就能将人的主观因素完全排除——猫的死活不是由人开箱看猫一眼所决定的。 但是,箱中猫的“死-活叠加态”究竟是怎么一回事呢?
薛定谔猫的生与死 薛定谔猫的生与死 沈致远 乍看这个题目,以为是在开玩笑,其实这是一个严肃的科学问题。英国著名科学杂志《自然》(Nature)最近刊登了两篇文章专门讨论这个问题,其中一篇评论文章的题目就是:“薛定谔猫变胖了”[1]。 什么是薛定谔猫?这要从头说起。薛定谔(E.Schrdinger ,1887—1961)是奥地利著名物理学家、量子力学的创始人之一,曾获1933年诺贝尔物理学奖,薛定谔猫是他在1935年提出的关于量子力学的一个佯谬[2]。这些年来许多物理学家绞尽脑汁,试图解开这个佯谬。直到最近经过一系列精巧的实验,这个问题才逐渐有了眉目。2000年7月,《自然》报道了最新的实验结果。 量子力学是描述原子、电子等微观粒子的理论,它所揭示的微观规律与日常生活中看到的宏观规律很不一样。处于所谓“叠加态”的微观粒子之状态是不确定的。例如,电子可以同时位于几个不同的地点,直到被观察测量(观测)时,才在某处出现。这种事如果发生在宏观世界的日常生活中,就好比:我在家中何处是不确定的,你看我一眼,我就突然现身于某处——客厅、餐厅、厨房、书房或卧室都有可能;在你看我之前,我像云雾般隐身在家中,穿墙透壁到处游荡。这种“魔术”别说常人认为荒谬,物理学家如薛定谔也想不通。于是薛定谔就编出了这个佯谬,以引起注意。果不其然!物理学家争论至今。 薛定谔猫佯谬是一个设计巧妙的理想实验:将一只猫关在箱子里,箱内还置有一小块铀、一个盛有毒气的玻璃瓶,以及一套受检测器控制的、由锤子构成的执行机构。铀是不稳定的元素,衰变时放出射线触发检测器,驱动锤子击碎玻璃瓶,释放出毒气将猫毒死。铀未衰变前,毒气未放出,猫是活的。铀原子在何时衰变是不确定的,所以它处于叠加态。薛定谔挖苦说:在箱子未打开进行观测前,按照量子力学的解释,箱中之猫处于“死-活叠加态”——既死了又活着!要等有人打开箱子看一眼才能决定猫的生死。这个理想实验的巧妙之处,在于通过“检测器-锤子-毒药瓶”这条因果链,似乎将铀原子的“衰变-未衰变叠加态”与猫的“死-活叠加态”联系在一起,使量子力学的微观不确定性变为宏观不确定性;微观的混沌变为宏观的荒谬——猫要么死了,要么活着,两者必居其一,不可能同时既死又活!难怪英国著名科学家霍金听到薛定谔猫佯谬时说:“我去拿枪来把猫打死!” 薛定谔猫佯谬实际上提出了一个十分重要的问题:什么是量子力学的观测?观察或测量都与人的主观有关,而人在箱外,所以必须打开箱子才能决定猫的死活。谁都知道箱中猫的死活是由铀的衰变决定的——衰变前猫是活的,衰变后猫就死了,这与是否有人打开箱子进行观察毫不相干。所以毛病出在观测的主观性上,应该朝这个方向寻根究底。 微观的观测与宏观的观测有所不同。宏观的观测对被观测对象没有什么影响。俗话说:“看一眼总行吧。”意思是对所看之物并无影响,用不着担心。微观的观测对被观测对象有影响,会引起变化。以观测电子为例,要用光照才能看见,光的最小单位光子的能量虽小但不是零,光子照到被观测的电子上,对电子的影响很大。所以,在微观世界中看一眼也会惹祸! 量子力学认为,观测的结果使得被观测对象的状态改变了:一个确定态从原先不确定的叠加态中蹦了出来。再追究下去,观测无非是观测手段(如光子)与被观测对象(如电子)之间的一种相互作用,这种相互作用并不一定与观测者联系起来,后者可以用检测器之类的仪器代替。经过几十年的探索,物理学家终于认识到:在由叠加态到确定态的转变中,观测曾经扮演的角色应该以相互作用来代替,这样不仅更普遍而且更客观。具体到薛定谔猫佯谬,就能将人的主观因素完全排除——猫的死活不是由人开箱看猫一眼所决定的。 但是,箱中猫的“死-活叠加态”究竟是怎么一回事呢?
上帝掷骰子吗——量子物理史话 序如果要评选物理学发展史上最伟大的那些年代,那么有两个时期是一定会入选的:17世纪末和20世纪初。前者以牛顿《自然哲学之数学原理》的出版为标志,宣告了现代经典物理学的正式创立;而后者则为我们带来了相对论和量子论,并最彻底地推翻和重建了整个物理学体系。所不同的是,今天当我们再谈论起牛顿的时代,心中更多的已经只是对那段光辉岁月的怀旧和祭奠;而相对论和量子论却仍然深深地影响和困扰着我们至今,就像两颗青涩的橄榄,嚼得越久,反而更加滋味无穷。我在这里先要给大家讲的是量子论的故事。这个故事更像一个传奇,由一个不起眼的线索开始,曲径通幽,渐渐地落英缤纷,乱花迷眼。正在没个头绪处,突然间峰回路转,天地开阔,如河出伏流,一泄汪洋。然而还未来得及一览美景,转眼又大起大落,误入白云深处不知归路……量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章之一,我们会看到物理大厦在狂风暴雨下轰然坍塌,却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。我们会看到最革命的思潮席卷大地,带来了让人惊骇的电闪雷鸣,同时却又展现出震撼人心的美丽。我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中艰难地走来,却更加坚定了对胜利的信念。量子理论是一个复杂而又难解的谜题。她像一个神秘的少女,我们天天与她相见,却始终无法猜透她的内心世界。今天,我们的现代文明,从电脑,电视,手机到核能,航天,生物技术,几乎没有哪个领域不依赖于量子论。但量子论究竟带给了我们什么?这个问题至今却依然难以回答。在自然哲学观上,量子论带给了我们前所未有的冲击和震动,甚至改变了整个物理世界的基本思想。它的观念是如此地革命,乃至最不保守的科学家都在潜意识里对它怀有深深的惧意。现代文明的繁盛是理性的胜利,而量子论无疑是理性的最高成就之一。但是它被赋予的力量太过强大,以致有史以来第一次,我们的理性在胜利中同时埋下了能够毁灭它自身的种子。以致量子论的奠基人之一玻尔(Niels Bohr)都要说:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”掐指算来,量子论创立至今已经超过100年,但它的一些基本思想却仍然不为普通的大众所熟知。那么,就让我们再次回到那个伟大的年代,再次回顾一下那场史诗般壮丽的革命,再次去穿行于那惊涛骇浪之间,领略一下晕眩的感觉吧。我们的快艇就要出发,当你感到恐惧或者震惊时,请务必抓紧舷边。但大家也要时刻记住,当年,物理史上最伟大的天才们也走过同样的航线,而他们的感觉,和我们是一模一样的。
奇 异 的 电 子 (谭天荣 青岛大学 物理系) 奇 异 的 电 子 谭天荣青岛大学 物理系 青岛 266071 内容提要:本文用宏观世界的规律来说明电子的奇异行为。特别是,根据经典物理学的原理,导出电子的与波粒二象性、量子性与不确定性。 关键词:电子;波粒二象性;量子性;不确定性;量子力学 引言 今天,人们非常熟悉“电子”这一用语:要看时间,手上带着电子表,墙上挂着电子钟;要看书,电子版各种书籍应有尽有,可以打开电子计算机在网上在线阅读,也可以下载下来慢慢看;要写信,可以写电子邮件,通过电子信箱投递,快的几乎没有时间延迟;要开车,驾驶台前电子仪表琳琅满目;要给孩子买生日礼物,超市的电子玩具目不暇接……。一言以蔽之,现代生活的任何一个环节似乎都少不了某种以“电子”命名的玩意。 然而,电子到底是一个什么东西,或许只有少数人才关心,也只有少数人才知道,电子的行为使人们伤透了脑筋。早在上世纪的二十年代,物理学家们就为了研究电子的行为建立了一个新的分支——量子力学,但这个量子力学却极为艰深难懂。这一点,许多物理学家直言不讳。例如,美国物理学家费曼曾说:“没有人能理解量子力学。” 前苏联物理学家兰道也说:“量子力学永远不可能被'理解’,你们只须去习惯它。”或许,任何一门新的学科对于初学者都是困难的,但是量子力学的困难却不同一般,量子力学王国里的国王波尔曾说:“初学量子力学的人如果不感到震惊,那他肯定是一点也没有学进去。” 关于量子力学的这种特殊性,中山大学的物理学教授,我的朋友关洪,有过极为精彩的描述。他对《老子》中的名言“道,可道,非常道;名,可名,非常名”作了如下重新诠释:“自然的规律和秩序是可以讲清楚的,但它们不是通常意义的规律和秩序;科学的术语和概念是可以给予称呼的,但它们不是通常意义的术语和概念。”他接着又说:“微观世界的规律是可以弄明白的,但它们不是我们习见的宏观世界的规律;量子力学的概念是可以弄明白的,但它们不是我们习用的经典物理学概念。”可见关洪教授上面说的“自然的规律”特指微观世界的规律,而他说的“科学的概念”则是特指量子力学的概念。 那么,电子的行为究竟怎样不同于宏观物体呢?我想,如下三点是特别引人注目的: 第一,波粒二象性:电子射线有时候显得是一束粒子,像由机枪射出的一粒一粒的子弹;有时候又显得是一种波动,像长江后浪推前浪的过程。 第二,量子性:电子往往从一种状态突变为另一种状态,似乎无法追溯其过渡阶段; 第三,不确定性:单个电子的行为是不能预言的,我们只能给出大量电子的统计规律。 电子的这些行为确实是奇异的,而量子力学对电子的这些行为的说明则更令人匪夷所思。但是,从量子力学建立到今日已经80年了,不论量子力学的思维方式多么晦涩,人们也早已习惯了。而平易近人的经典物理学的思维方式则被看作过时的“传统观念”。时至今日,如果有人想到要恢复经典物理学昔日的风光,肯定会被认为是痴人说梦。 然而,我在这里却要冒天下之大不韪:用宏观世界的规律来说明电子的奇异行为。特别是,我将根据经典物理学的原理,导出电子的与波粒二象性、量子性与不确定性。 实际上,早在半个世纪之前,我已经完成了这一工作,不幸的是,至今我还没有找到一个知音,如果说我的工作建立了一种新的物理学,那也只能是我的“私人物理学”。是不是我的论据难以理解呢?不!我的推理是极为简单明了的,比量子力学要平易近人得多。困难在于,量子力学早已深入人心,已经容不下不同的意见了。尽管如此,我仍然强烈希望在我的人生之旅走到尽头之前,把我的私人物理学变成人类的公共财产。因此,虽然我的私人物理学还远不是尽善尽美的,我的当务之急倒不是怎样完善它,而是怎样推销它?
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