电子双缝干涉

退相干 0710286张逍遥0710318姚筠 电子的双缝干涉实验 CompanyLogo 屏上记录了有限个较少的电子时 显示出电子的粒子性 波粒二象性 随着电子数的增多 电子的波动性就渐渐显现出来了 宏观的量子之殇 然而在宏观世界里 我们是很难感觉到物质的干涉行为 粒子性似乎成为这个世界的绝对主流表现 但电子的干涉又是在实验中观察到的 为什么我们在日常生活中看不到物质的波动性 费米的疑问 早在50年代初期 费米和盖尔曼在芝加哥大学共事时 费米就经常问盖尔曼 既然量子力学是正确的 为什么火星不从它的轨道上向外散开 哥本哈根解释 为了解释量子力学同宏观世界的矛盾 从量子力学建立之初 各个支持量子力学观点的物理学家就不断地用新的理论试图对其进行解释 由玻尔 海森堡 泡利 狄拉克等发展起来的量子力学的 哥本哈根诠释 以及与之相类似的由冯 诺依曼倡导的强调塌缩假设的 正统 解释是物理学家努力的开始 理论发展 CompanyLogo 1952 1957 70年初 80年代 德布罗意玻姆的引导波理论 埃弗雷特引入的相对态解释 范 夫拉森提出的模态类解释 GRW类型的物理塌缩理论 新的正统 退相干 近年来 在量子力学的文献中出现了一个为理论和实验物理学家和哲学家广泛关注的术语 退相干 普遍认为是由Zurek和Zeh提出的 当退相干被适当地解释时 它能产生令人惊讶的结果 这些结果对于我们正确理解量子力学的形式和我们知觉世界之间的联系起着至关重要的作用 因而退相干纲领在理解量子力学方面甚至被贯以 新的正统 解释之名 退相干的矩阵解释 简单来说 退相干的过程就相当于密度矩阵转化为对角矩阵的过程 退相干之后 退相干的核心 环境 为了给出一个物理系统的行为和性质的一个正确的量子力学的说明 我们必须把这个系统和它的无所不在的环境的相互作用包括在内 这个无所不在的环境包含大量的自由度 系统和它的环境之间的相互作用 在系统和环境之间导致一个迅速且强烈的纠缠 对于我们能在系统集体态水平上观察到什么有决定性的影响 模型修正 当时观察到的量子效应往往发生在近乎孤立的系统中 如将量子理论应用到孤立的氢原子中 理论预言的分立光谱与实验数据符合得很好 没有必要革新孤立系统的研究进路 但现在我们必须把环境加进去 对量子体系进行修正 环境影响退相干举例 我们把一谐振子放在由其它大量谐振子组成的热库中 该谐振子和热库的谐振子具有双线性的耦合 把总的密度矩阵对该谐振子之外的所有自由度求迹 该谐振子在位置坐标表象中的密度矩阵成为对角形 该谐振子成为可以由带有经典概率的位置分布的态描写 变成了混合态 谐振子变成了经典的振子 退相干完成 小结 由退相干中对环境的强调 我们知道 是由于环境的不断的 大量的 复杂的作用 使得波函数的位相完全随时间随机演化 故而不会有一个稳定的位相 导致位相差的不稳定 相干性消失 故而在宏观尺度 表现为完全确定的行为 退相干理论的应用 由此 我们可以用退相干理论对一些宏观行为作出合理解释 下面我们将看到用退相干理论来描述微观世界到宏观世界的过渡 他给我们理解量子力学的带来了新的思路 用退相干解释火星为什么不会散开 完整的火星 我们观察轨道上的火星会不断地遇到从太阳发出的光子 光子被火星散射开去 每次火星和光子相遇 由于它们之间的碰撞 它们的运动会发生变化 但是 所有光子不同的运动方向和能量都被加遍了 于是在这些方向之间 能量之间的干涉项就被 洗掉 了 从而促使行星不同位置退相干 正是这些光子允许人们看到火星 薛定谔的猫 现在 我们再来看看那只著名的小猫 如果用退相干的观点来解释 得到的结论就变的更加令人信服 退相干的猫态 薛定谔方程不仅仅应该应用与量子体系 还应该应用于与之相关的量子环境 不仅被观测体系是量子的 测量仪器也应该被当成量子体系 这个合成体系的波函数是测量装置不同经典状态对应的量子态的叠加 将环境作为第三个量子体系考虑进来 并与测量装置相互作用 作为结果 相位的随机化过程很快发生 量子叠加态很快退化为以经典概率为权重的不同可能结果的求和 作者的话 诚如之前所说的 引入退相干之后 似乎并没有对理论做太大的修正 也不会对世界观的构建造成什么翻天覆地的影响 但是 这也许正是我们想要的 如果重新梳理一下思路 就会发现 量子力学的理论已经可以作为解释这个世界行为的第一性原理 而其之所以与我们所认识的世界格格不入 是由于环境带来的 退相干 使得物质之间的相互影响被消除了 才使得所谓的粒子性被我们所见 退相干理论仍然是一个发展中的理论 随着技术的不断进步 可以有更多的实验来对其的正确性进行验证 但到目