量子力学波函数的新解释.doc

量子力学波函数的新解释西安重装渭南光电科技有限公司 贾伟东摘 要 ：量子力学无疑是20世纪在研究微观粒子领域最成功的力学，但自它诞生之日起，带给人们的争论与困惑却曾没有停息过，特别是波函数概率解释中引进观测坍缩，使它几乎沦为了一门“玄学”，这与其成功的物理价值不相匹配，那么，我们应怎样理解波函数呢？这需要我们理解微观粒子波函数的本质，本质一旦明晰，我们就可以将“意识”的幽灵从物理学中赶出去。关键词：波 粒子 物质波 波粒二象性 波函数 波包坍缩 自旋 能量 势场0、引言自德布罗意于1924年提出的德布罗意假说，表明每一种微观粒子都具有波粒二象性。电子也不例外，具有这种性质。电子是一种波动，是电子波。电子的能量与动量分别决定了它的物质波频率与波数。既然粒子具有波粒二象性，应该会有一种能够正确描述这种量子特性的波动方程。薛定谔从哈密顿-雅可比方程成功地推导出薛定谔方程。从此，量子力学有了一个崭新的理论平台。薛定谔给出的薛定谔方程能够正确地描述波函数的量子行为，但是，物理学家尚未能解释波函数的涵义，薛定谔尝试用波函数来代表电荷的密度，但遭到失败。1926年，玻恩提出概率幅的概念，成功地解释了波函数的物理意义。可是，“意识”的幽灵也进入了物理学的大厦，使得能够成功应用于微观粒子 世界的物理学几乎沦为“玄学”。就此问题，我想从以下几个方面作以剖析，对波函数的物理意义提出新的一种解释。1、波的本质1.1 量子力学的波量子力学和相对论是近代物理学的两大支柱。量子力学理论体系的自洽性及其与实验事实的符合，已经得到学术界的公认，但是对它的基本概念的理解与解释，也就是量子力学的诠释问题，还一直存在着争论。这些争论主要集中在如何理解波粒二象性和测不准关系，以及以玻尔为首的哥本哈根学派由此发展出来的互补原理上。当前大多数物理学家比较倾向于接受哥本哈根学派的解释，而称其为量子力学的正统解释。正统解释：物质波是用波函数（r，t）来描述的具有确定能量和动量的平面波。无论将波是由粒子组成或粒子是由波组成的看法都是错误的，波函数（r，t）描述的物质波是几率波。但是，在解释微观粒子的各种现象时，又是分离的，不统一的，一会是波，一会又是粒子，怪异的鬼波样的解释，特别是波包坍缩，竟然将意识引入到物理学中。这都是由于传统的经典物理中还没有粒子波的可做比较的参比物，因此，诠释方面再难以有更大的突破，只好任由意识的幽灵飘荡在物理学上空。1.2波的本质在经典波动物理学中，波依赖于物质波媒介(不是波载体)而存在，且没有介质，波就难以存在，故经典波又为媒介波。而以粒子为载体的载体波，是难以想象的了，即古典波中，没有波动的粒子，即纯物质的物质波的描述，故由此得出的波粒二象性的非物质的物质波也就不足为怪了。因为，经典物理中，还没有这类概念，粒子的波动，若要类比出更新的量子波的观点，纯物质的物质波，真是难上加难。要跳出经典物理的束缚是不容易的，虽然，互补的波粒二象性已经是个伟大的创新，但是对于波的诠释，依然留有经典波的影子。我们要理解波粒二象性，首先要跳出经典波的形象概念，要理解波的本质。波的本质：具有0,1性的周期性变化。2、物质波的本质 我们理解了波的本质后，那么我们可以看一下真空中都发生了。2.1真空真空本指没有任何实物粒子存在的空间，但我们还是发现不时有基本粒子在真空中出现又消失，无中生有。真空具有如下性质：1）空非无。如果真空中没有粒子，我们就会准确的测出场(0)与场的变化曲率(0)，然而海森堡不确定性原理表明，我们不可能同时精确地测出一对共轭量，所以，可以“空”，不能“无”。因此，在真空中，粒子不停地以虚粒子、虚反粒子对的形式凭空产生，而又互相湮灭，在这个过程中，总的能量保持不变。2）真空存在极性。因此说真空是不对称的。但这种不对称是相对局部的，在相对整体上又是对称的，如此的循环嵌套构成了真空的这个性质。3）真空的每个局部具备了真空的全体性质。大和小是相对而言的。时间也是相对于空间而言的，时间不能脱离了具体的空间而单独的存在。 2.2物质波的本质 从真空的性质我们可以看到，物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。当能量达到波峰，能量转化为一对对正反基本粒子，当能量达到波谷，一对对正反基本粒子又相互湮灭，转化为能量。这实际上，我们可以看成能量，粒子的一个周期性的波。再从薛定谔波函数(r,t)=Aexpi/(prEt)来看，我们抛开A，实际就是非1，1的一个周期性函数。因此，物质波的本质就是非1，1的一个周期性的波。3、波函数的新解释从上述对物质波的本质的分析，我们可以看出，波函数本身就是对微观粒子的波的描述。当为1时，其是粒子性的；当在非1到1的过程中，其是波动性的。如此，我们可以做这样一个大胆的假设：粒子非1的状态是能量状态，1的状态是粒子状态。也就是说，波粒二象性实质上是粒子在能量态，粒子态之间相互转化的一个周期性的波。波恩的几率解释，只是说明了我们在t时刻在某空间找到粒子态的几率，而不是物质波本身是几率波。4、关于物质的再探讨粒子物质如果是能量态，粒子态之间相互转化的一个周期性的波的话，则我们能给出一个物质波函数(r,t)=E/c2(r,t)其中，(r,t)=expi/ (pr- t)，E为能量，c为光速。于是，我们可以得到方程 i c2(r,t)= EH(r,t)(r,t)是满足归一化条件的。因此，上述方程可转化成i c2(r,t)= EH(r,t) 6、小结1）由于粒子本身就是能量态，粒子态转化的波，我们能观测到的只是为1时的粒子态，因此，根本不存在波包坍缩，也就无意识影响波态的问题。2）波函数之所以描述的是在t时刻在某空间找到粒子态的几率，是因为能量是运动的，是不连续的，是不均匀的，这造成空间也是运动的，是不连续的，是不均匀的，而正是能量和空间的这种运动、不连续和不均匀，导致势场的存在，势场作用于运动的粒子波，从而使在不同的能级和空间中随机的出现。3）在一个相对不变的势场和定域的空间中，粒子波的运动是受限的，因此粒子波才表现出几率的分布。4）因为粒子本身就是能量态，粒子态转化的波，因此是可以同时观测到波态和粒子态的。附：中国科学家挑战“光是什么”传统界限2012年09月04日 14:53来源：中国新闻网参与互动(88)42中新社合肥9月4日电 (杨保国 吴兰)9月份的自然-光子学封面文章发表了中国科学家首次实现量子惠勒延迟选择实验，挑战“光是什么”的传统界限，并首次实验观察光子的波粒叠加态。4日，记者从中科大郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室获悉，该实验室李传锋研究组首次实现了量子惠勒延迟选择实验，制备出了光的波-粒叠加状态，丰富了人们对传统玻尔互补原理的理解，挑战“光是什么”的古老科学问题。光是什么？研究组成员认为，从最初牛顿的粒子说，到惠更斯的波动说，直至爱因斯坦的光量子说，一直众说纷纭。现在对光的理解可归结为玻尔的互补原理，即光具有波粒二象性，波动性和粒子性这两种属性即对立又互补，一个实验中具体展示哪种属性取决于实验装置。此前有一种隐变量理论认为，光子有自由意志，实验观察结果可展现其粒子性或波动性。为了检验这种隐变量理论和量子力学谁是谁非，玻尔的学生惠勒于1978年提出了著名的延迟选择实验。在经典的惠勒延迟选择实验中，光的波动性和粒子性不能够同时展现出来。李传锋研究组设计出一种量子实验装置，巧妙地利用光子的偏振比特作为辅助，使测量装置处于量子叠加态，能同时探测光子的波动性与粒子性，从而实现了量子的惠勒延迟选择实验。该实验排除了光子有自由意志的假设，并首次观测到波与粒子的叠加状态，处于这种叠加态的光子，既不像粒子态那样没有干涉条纹，也不像波动态那样表现出正弦形干涉条纹，而是呈现出锯齿形条纹这样一种“非波非粒，亦波亦粒”的表现形式。英国著名量子物理学家阿迪索教授认为，“该实验挑战了互补原理设定的传统界限，在一个实验装置中展示光子可以在波动和粒子两种行为之间相干地振荡”。自然-物理杂志也在“研究高亮”栏目报道了该成果，称它“重新定义了波粒二象性的概念”。(完)参考文献：1. U. Haber-Schaim et al, PSSC Physics, 3rd ed, D. C. Heath, 1971;2. 倪光炯,李洪芳. 近代物理, 上海科学技术出版社, 1979年;3. Max Yammer, The Philosophy of Quantum Mechanics, John Wiliey & Sons,Inc.,19744. 程守洙, 江之永. 普通物理, 第三册, 高等教育出版社, 1986年;5. E. H. Wichmann, QUANTUM PHYSICS, V.4, McGran Hill, 1971;6. G. H. Duffer, Theoretical Physics-Classical and modern Views, Houghton MifflimCompany, 1973;7. A. P. French et al, 王小然 等译,量子物理导论, 天津科技翻译出版公司, 1991;8. 王国文, 物理, 20-7(1991),428-432;9. 向义和, 物理,20-1(1991),118-123;10. .,李煊 等译, 粒子量子与波, 科学出版社,1983;11