量子力學(xué)的理論
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量子力學(xué)的理論范文第1篇
【關(guān)鍵詞】密度算符 壓縮相干態(tài) 正規(guī)乘積
【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）10-0161-02
一、引言
量子力學(xué)是在19世紀(jì)末20世紀(jì)初建立和發(fā)展起來的一門科學(xué)，它的建立是20世紀(jì)劃時(shí)代的成就之一。量子力學(xué)與我們的生活密切相關(guān)，可以毫不夸張的說，沒有量子力學(xué)，就沒有人類的現(xiàn)代物質(zhì)文明。量子力學(xué)規(guī)律已成功地運(yùn)用于包括材料、化學(xué)、生命、信息和制藥等領(lǐng)域，對于物理專業(yè)的本科生來說，量子力學(xué)是物理學(xué)專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課程之一，它是學(xué)習(xí)固體物理、材料科學(xué)、材料物理與化學(xué)、激光原理、激光物理與技術(shù)等專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)[1，2]。通過量子力學(xué)的學(xué)習(xí)，使得學(xué)生能夠熟練地掌握量子力學(xué)的基本理論，具備利用量子力學(xué)基本理論分析和解決問題的能力。在物理學(xué)課程當(dāng)中，量子力學(xué)的教學(xué)既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)。
相干態(tài)[3，4]作為量子力學(xué)中的一個(gè)核心概念，不僅是量子物理學(xué)中的一個(gè)有效方法，而且是激光理論的重要支柱，對了解量子力學(xué)理論具有重要的意義，在教學(xué)和科研中都具有基礎(chǔ)性的作用。相干態(tài)的概念最初是薛定諤在1926年提出的[3]，對于諧振子位勢，他找到了這樣的態(tài)。直到1963年格勞伯等人系統(tǒng)地建立起光子相干態(tài)，并研究它的相干性與非經(jīng)典性，同時(shí)又證明相干態(tài)是諧振子湮滅算符的本征態(tài)[4]。現(xiàn)在相干態(tài)已被廣泛地應(yīng)用于物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。實(shí)際上，相干態(tài)是最小測不準(zhǔn)態(tài)，而且兩個(gè)正交位相振幅算符有著相同的起伏，在相空間中，相干態(tài)的起伏呈圓形，相干態(tài)在相空間平移或者轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)此圓保持不變。對于壓縮態(tài)而言，它是泛指一個(gè)正交相位振幅算符的起伏比相干態(tài)相應(yīng)分量的起伏小的量子態(tài)，其代價(jià)是另一個(gè)正交相位振幅算符的起伏增大，但兩者的乘積等同于相干態(tài)的相應(yīng)量。壓縮態(tài)是一類非經(jīng)典光場，呈現(xiàn)出非經(jīng)典性質(zhì)，例如反聚束效應(yīng)、亞泊松分布等. 壓縮態(tài)由于其在光通訊、高精度干涉測量以及微弱信號檢測方面具有廣泛的應(yīng)用前景使得對它的研究成為量子力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
理論上，產(chǎn)生壓縮相干態(tài)的方式主要有對真空態(tài)先平移后壓縮（第一類壓縮相干態(tài)）和先壓縮后平移（第二類壓縮相干態(tài)）兩種方式，鑒于很多教材上認(rèn)為這兩種方式產(chǎn)生的壓縮相干態(tài)完全等同，考慮到壓縮算符與平移算符的不對易，而且各量子力學(xué)教科書上每提及這兩種壓縮態(tài)的區(qū)別時(shí)闡述都比較模糊，不能向廣大讀者提供一個(gè)清晰的結(jié)論，又考慮到密度算符包含了某一個(gè)量子態(tài)的全部信息，所以有必要推導(dǎo)出這兩種壓縮相干態(tài)的密度算符并做分析比較，以闡明二者的異同。
二、第一類壓縮相干態(tài)
對比式（10）和（14）可知，由于產(chǎn)生壓縮相干態(tài)的方式不同，壓縮算符和平移算符之間不對易，得出的兩類壓縮相干態(tài)密度算符也有差異，并不是之前一些教科書里闡述的二者是完全等同的。
量子力學(xué)的理論范文第2篇
【論文摘要】 運(yùn)用量子物理學(xué)的“超因果聯(lián)系”、“能量場”和“全息場”等基本理論，探討了中醫(yī)藥學(xué)的科學(xué)性，對“中醫(yī)理論體系不是科學(xué)，與現(xiàn)代科學(xué)思想、方法、理論、體系格格不入，應(yīng)該徹底地否定、拋棄”的言論進(jìn)行了駁斥。
1 超因果聯(lián)系給中醫(yī)藥學(xué)的啟示
以往所理解的因果聯(lián)系都是很直觀的，因果直接對應(yīng)，甚至一一對應(yīng)。但量子物理學(xué)[2]揭示出來的基本粒子間的相互聯(lián)系則可以是超系統(tǒng)超時(shí)空的。一個(gè)幾率波能夠與宇宙中的任何其他部分發(fā)生聯(lián)系，且不管它們之間相距多遠(yuǎn)，作用之間都沒有時(shí)間間隔。這是一個(gè)令愛因斯坦都無法接受的結(jié)論，約翰貝爾卻在1964年給出了一個(gè)數(shù)學(xué)證明，并把它叫做“貝爾定理”。緊接著，法國物理學(xué)家又用實(shí)驗(yàn)證明了基本粒子確實(shí)受空間和時(shí)間中存在的不可見聯(lián)系的影響。這個(gè)結(jié)論使得已經(jīng)搖搖欲墜的牛頓-笛卡兒宇宙模型最終徹底崩塌。
基于貝爾定理-非局部的不可見的因果律，量子物理學(xué)給予第四個(gè)啟示：人所受的影響是無時(shí)無處不在的，疾病發(fā)生發(fā)展所涉及的因果聯(lián)系復(fù)雜到無法測定的程度，并且總有醫(yī)療以外的因素在起作用。學(xué)者不應(yīng)該去向建立在已經(jīng)徹底崩塌了的牛頓-笛卡兒宇宙模型上的“科學(xué)”俯首稱臣[1]，也沒有必要再用這種科學(xué)去解釋“陰陽、表里、寒熱、虛實(shí)”，去分離中藥的有效成分。應(yīng)該承認(rèn)西醫(yī)通過現(xiàn)代檢測手段檢測到了某些病因，但同時(shí)應(yīng)該清醒地認(rèn)識到這些病因也和通過“望、聞、問、切”所發(fā)現(xiàn)的病因一樣，遠(yuǎn)不是導(dǎo)致患者生病的全部原因。既不能過于迷信那些沒有思維的儀器，也不能在審癥求因的縝密思維過程中過于武斷和粗疏，因?yàn)橹嗅t(yī)畢竟是非常私人化的經(jīng)驗(yàn)醫(yī)學(xué)，師承有別，流派各異，或溫?zé)幔蚝疀觥疾环ζ嫘е捕加惺д`之診。如何參佐為用，這不僅與醫(yī)者能否將《內(nèi)經(jīng)》、《難經(jīng)》、《傷寒雜病論》、《醫(yī)宗金鑒》等中醫(yī)典籍爛熟于心有關(guān)，還與醫(yī)者是否具有杰出的思維能力和豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)。現(xiàn)在，中醫(yī)已經(jīng)按照西醫(yī)的思維方式和醫(yī)療模式走了近一個(gè)世紀(jì)的“現(xiàn)代化”道路，傳統(tǒng)的一對一師承關(guān)系“化”成了班級授課制的中醫(yī)學(xué)院，傳授了知識，丟掉了意會，遺失了自己的傳統(tǒng)和精華，培養(yǎng)了一批會在西醫(yī)理論指導(dǎo)下運(yùn)用中藥的實(shí)際上已經(jīng)不能再被稱作是中醫(yī)的中醫(yī)師。如果目前這種情況再持續(xù)十年，現(xiàn)有的能夠按照中醫(yī)思路看病的兩三萬中醫(yī)大夫都退休，中國也就沒有中醫(yī)，“療病之功，莫先于藥”的中藥也就變成了一堆沒有用處的垃圾。目前中國中醫(yī)的狀況是何等的危急。
2 能量場給中醫(yī)藥學(xué)的啟示
從量子物理學(xué)中涌現(xiàn)出來的最激動(dòng)人心的概念就是能量場。在原子尺度上，場無處不在。這不是想象中的可視的實(shí)體，它們是基本粒子的相互作用。這正象磁鐵的磁場不可見，但它能使鐵屑產(chǎn)生圖案一樣。基本粒子跳著永恒之舞[3]，它們之間或吸引，或排斥，互相碰撞，并以光子的形式釋放或吸收能量，構(gòu)筑起一張統(tǒng)一的、連接著整個(gè)宇宙的原子關(guān)系網(wǎng)。如果說經(jīng)典物理學(xué)的核心隱喻是一臺機(jī)械鐘的話，那么量子物理學(xué)的核心則是一張無所不在的原子關(guān)系網(wǎng)。
基于能量場的概念，量子物理學(xué)給了第五個(gè)啟示：應(yīng)該從“場”的角度來理解醫(yī)藥。醫(yī)藥的作用，對于患者來說，本身就是一種能量場的作用。在這個(gè)能量場中，對靶點(diǎn)的直接阻斷所起的作用往往是不持久的，因?yàn)樽钄嗷蛳麥?/p>
的只是一個(gè)靶點(diǎn)，對于存在于整個(gè)能量場中的導(dǎo)致這個(gè)靶點(diǎn)出現(xiàn)的、現(xiàn)在還無法知道的種種因素，是無法將其一一阻斷或消滅的[4]。這些因素很有可能又會在其他地方構(gòu)成新的靶點(diǎn)，這也就是西醫(yī)常說的病灶轉(zhuǎn)移。
中醫(yī)雖然也沒有從能量場的高度來認(rèn)識人的生命過程，但它的經(jīng)絡(luò)學(xué)說是不是與能量場理論有異曲同工之妙，是五千年的經(jīng)驗(yàn)使然？就目前的科學(xué)發(fā)展水平而言，別說愛因斯坦的“統(tǒng)一場論”遠(yuǎn)未建立，丁肇中的“反物質(zhì)”還只是一種猜想，就連量子物理學(xué)的基礎(chǔ)理論都還處于完善和發(fā)展階段，現(xiàn)在就要對積五千年經(jīng)驗(yàn)于一體的中醫(yī)藥學(xué)說進(jìn)行科學(xué)闡釋，也許是為時(shí)太早了。現(xiàn)在不得而知，留待未來的科學(xué)去證明吧。當(dāng)然，也沒有必要輕信他人的毀謗而忍痛割愛。中醫(yī)藥學(xué)千萬不能重蹈舊行為主義心理學(xué)的覆轍，鬧出“因?yàn)樾Σ鸥吲d，因?yàn)榭薏艂摹边@樣的笑話來。
3 全息場給中醫(yī)藥學(xué)的啟示
杰出的物理學(xué)家戴維玻姆把場看作是宇宙之海中的漩渦，提出了用“全息場”來解釋量子事件的非局部關(guān)聯(lián)理論。他把不可見的隱藏的現(xiàn)實(shí)稱作內(nèi)含或者“折疊”的秩序，而把外部實(shí)在稱為引申或者“伸展”的秩序[5]。在他看來，正是“感知透鏡”在不斷地變化，才有折疊秩序中不同的側(cè)面不斷地伸展開來。
全息圖是用激光在一個(gè)全息盤上創(chuàng)建干涉圖式而產(chǎn)生的。光盤本身并沒有什么可分辨圖形，只是當(dāng)一束激光穿過它，就“好象在池塘中扔了一把小石子”時(shí)才出現(xiàn)的一串串同心圓圈罷了。全息盤有一個(gè)重要的屬性，就是不管這個(gè)盤子破成多少片，每一個(gè)碎片都包含著所有的完整信息，只是碎片越小，信息就越模糊而已。
基于全息場理論，量子物理學(xué)給予了第六個(gè)啟示：就象“盲人摸象”這個(gè)古老寓言所揭示的那樣，面對外部世界和人的內(nèi)在世界那“折疊”的內(nèi)含秩序，在根本上是“盲”的-無法知道大象的完全的實(shí)在，而只能有關(guān)于它們的直覺的有限的經(jīng)驗(yàn)。中醫(yī)的耳針療法，在過去看起來，也許近似天方夜譚，現(xiàn)在從全息場理論的角度來看它，也許是一個(gè)極好的例證。因?yàn)槲麽t(yī)只承認(rèn)可以檢測到的“伸展”的秩序，而拒絕承認(rèn)現(xiàn)在還無法檢測到的“折疊”的秩序，所以，它往往比寧愿“舍癥從脈”的中醫(yī)更盲，也更不科學(xué)。
一言以蔽之曰，西醫(yī)是建立在經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)上的科學(xué)，現(xiàn)在量子物理學(xué)已經(jīng)讓牛頓-笛卡兒宇宙模型徹底崩塌了，學(xué)者沒有理由再相信它是嚴(yán)格意義上的科學(xué)；中醫(yī)藥學(xué)是在幾千年經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過格物致知而形成的理論體系，20世紀(jì)以前從未受過經(jīng)典物理學(xué)的影響，它很可能與量子物理學(xué)和未來科學(xué)有著更多的相通之處[6]，中醫(yī)研究者應(yīng)該堅(jiān)定不移地自己走自己的路，力求中醫(yī)藥學(xué)的卓然自立，而完全沒有必要去顧及別人的多嘴多舌。
參考文獻(xiàn)
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［4］ 羅杰S瓊斯.普通人的物理世界.江蘇人民出版社，1998.
量子力學(xué)的理論范文第3篇
關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 量子力學(xué)發(fā)展 質(zhì)子和粒子
前言：量子力學(xué)是對牛頓物理學(xué)的根本否定。l9世紀(jì)末正當(dāng)人們?yōu)榻?jīng)典物理取得重大成就歡呼的時(shí)候，一系列經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象一個(gè)接一個(gè)地發(fā)現(xiàn)了。在經(jīng)典力學(xué)時(shí)期，物理學(xué)所探討的主要是那些描述用比較直接的試驗(yàn)研究就可以接觸到的物理現(xiàn)象的定律和理論。在宏觀和慢速的世界中，牛頓定律和麥克斯韋電磁理論是很好的自然定律。而對于發(fā)生在原子和粒子這樣小的物體中的物理現(xiàn)象，經(jīng)典物理學(xué)就顯得無能為力，很多現(xiàn)象沒法解釋。
1.量子力學(xué)的起源
量子論起源于經(jīng)典物理學(xué)體系中出現(xiàn)的反常的經(jīng)驗(yàn)問題，以及相伴隨的概念問題。量子力學(xué)的發(fā)展主要?dú)w功于四位物理學(xué)家。德國的海森伯于1926年作出了量子力學(xué)理論的第一種表述。利用矩陣力學(xué)的理論，求得描述原子內(nèi)部電子行為的一些可觀察量的正確數(shù)值。接著，奧地利的薛定諤發(fā)表了波動(dòng)力學(xué)，是量子力學(xué)的另一種數(shù)學(xué)表述。同年，德國的伯恩對上述兩種數(shù)學(xué)表述作出可以接受的物理解釋，并首先使用“量子力學(xué)”這個(gè)名詞。1928年，英國的狄拉克又把上面的理論加以推廣，并與狹義相對論結(jié)合起來。
量子力學(xué)是對牛頓物理學(xué)的根本否定。牛頓認(rèn)為物質(zhì)是由粒子組成的，粒子是一個(gè)實(shí)體，量子力學(xué)認(rèn)為粒子是波，波是無邊無際的。牛頓認(rèn)為宇宙是一部機(jī)器，可以把研究對象分成幾部分，然后對每一部分進(jìn)行研究。量子力學(xué)認(rèn)為自然界是深深地連通著的，一定不能把微觀體系看成是由可以分開的部分組成的。因?yàn)閮蓚€(gè)粒子從實(shí)體看可以分開，從波的角度他們是糾纏在一起的。牛頓認(rèn)為宇宙是可以預(yù)言的，而量子力學(xué)認(rèn)為，自然界在微觀層次上是由隨機(jī)性和機(jī)遇支配的。牛頓認(rèn)為自然界的變化是連續(xù)的，量子力學(xué)認(rèn)為自然界的變化是以不連續(xù)的方式發(fā)生的。
2.量子力學(xué)的形成
2.1 量子假說的提出
1900年l2月14日，德國物理學(xué)家普朗克在柏林德國物理學(xué)會一次會議上提出了黑體輻射定律的推導(dǎo)，這一天被認(rèn)為是量子力學(xué)理論的誕辰日。在推導(dǎo)輻射強(qiáng)度作為波長和絕對溫度函數(shù)的理論表達(dá)式時(shí)，普朗克假設(shè)構(gòu)成腔壁的原子的行經(jīng)像極小電磁振子，各振子均有一個(gè)振蕩的特征頻率。振子發(fā)射電磁能量于空腔中，并自空腔中吸收電磁能量，因此可以由在輻射平衡狀態(tài)的振子的特性而推出空腔輻射的特性。而關(guān)于原子的振子，普朗克作了兩項(xiàng)
根本的假設(shè)，現(xiàn)簡述如下：
① 振子不能為“任何能量”，只能為：
（1）
式中：為振子頻率，為常數(shù)（現(xiàn)稱為普朗克常數(shù)），只能為整數(shù)（現(xiàn)稱為量子數(shù)），（1）式斷言振子的能量只能是一份一份的，而不能是連續(xù)的，即振子能量是量子化的。
②振子并不連續(xù)放射能量，僅能以“跳躍”方式放射，或稱“量子式”放射。當(dāng)振子自一量狀態(tài)改變至另一態(tài)時(shí)，即放出能量量子。因此，當(dāng)改變一個(gè)單位時(shí)，放射之能量為：
只要振子仍在同一量子狀態(tài)，則既不放射能量也不吸收能量。
2.2 愛因斯坦利用量子假說揭開光電效應(yīng)之謎
愛因斯坦根據(jù)普朗克的量子假設(shè)推理認(rèn)為：如果一個(gè)振動(dòng)電荷的能量是量子化的，那么它的能量變化只能是從一個(gè)允許的能量瞬時(shí)地躍遷到另一個(gè)允許的能量，因?yàn)楦静辉试S它具有任何中間的能量值。而能量守恒就意味著，發(fā)射出的輻射必須是以一股瞬時(shí)的輻射進(jìn)發(fā)的形式從振動(dòng)電荷產(chǎn)生出來，而不是電磁波理論所預(yù)言的長時(shí)間的連續(xù)波。愛因斯坦得出結(jié)論：輻射永遠(yuǎn)以一個(gè)個(gè)小包、小粒子的形式出現(xiàn)，但不是象質(zhì)子、電子那樣的實(shí)物粒子。這些新粒子是輻射構(gòu)成的；它們是可見光粒子、紅外光粒子、 射線粒子等等。這些輻射粒子叫做光子。光子和實(shí)物粒子不同：它們永遠(yuǎn)以光速運(yùn)動(dòng)；它們的靜止質(zhì)量為零；振動(dòng)的帶電粒子產(chǎn)生光子。
3.量子力學(xué)的宇宙觀
在原子的量子理論的探討中，從對氫原子的研究中發(fā)現(xiàn)，氫原子有無數(shù)個(gè)量子態(tài)。而電子多于一個(gè)的原子有更復(fù)雜的量子態(tài)，這些量子態(tài)都從求解適合于該特定原子的薛定諤方程，并且要求其場剛好環(huán)繞原子核產(chǎn)生駐波而求得。由于這些量子態(tài)的每一個(gè)都是有特定頻率的駐波，并且波的頻率和它的能量相聯(lián)系，預(yù)期每個(gè)量子態(tài)只有一個(gè)特殊的能量。這就是說，預(yù)期任何一個(gè)態(tài)的能量不會有任何量子不確定性。可以對每個(gè)態(tài)的能量大小作合理的猜測。由于質(zhì)子作用于電子的力是吸引力，要把一個(gè)電子向外拖到離原子核更遠(yuǎn)的地方就必須做功。因此電子離原子核越遠(yuǎn)，電子的電磁能量就越高。
量子理論的中心思想是，一切東西都由不可預(yù)言的粒子構(gòu)成，但這些粒子的統(tǒng)計(jì)行為遵循一種可以預(yù)言的波動(dòng)圖樣。1927年，德國物理學(xué)家海森伯發(fā)現(xiàn)，這種波粒二象性意味著，微觀世界具有一種內(nèi)稟的，可以量化的不確定性。量子理論的最大特點(diǎn)也許是它的不確定性。量子不確定的實(shí)質(zhì)是，完全相同的物理情況將導(dǎo)致不同的結(jié)果。哥本哈根學(xué)派解釋的結(jié)論是，微觀事件真的是不可預(yù)言的。而且，當(dāng)我們說一個(gè)微觀粒子的位置是不確定的時(shí)候，意思并不僅僅是我們?nèi)狈τ嘘P(guān)其位置的知識。相反，意思是這個(gè)粒子的確沒有確定的位置
結(jié)語：量子力學(xué)在低速、微觀的現(xiàn)象范圍內(nèi)具有普遍適用的意義。它是現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)之一，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的表面物理、半導(dǎo)體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導(dǎo)物理、量子化學(xué)以及分子生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展中，都有重要的理論意義。量子力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展標(biāo)志著人類認(rèn)識自然實(shí)現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。
參考文獻(xiàn)
[1] 曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)導(dǎo)論[M].2版.北京大學(xué)出版社，2OOO.
量子力學(xué)的理論范文第4篇
人們通常把愛因斯坦與玻爾之間關(guān)于如何理解量子力學(xué)的爭論，看成是繼地心說與日心說之后科學(xué)史上最重要的爭論之一。就像地心說與日心說之爭改變了人們關(guān)于世界的整個(gè)認(rèn)知圖景一樣，愛因斯坦與玻爾之間的爭論也蘊(yùn)含著值得深入探討的對理論意義與概念變化的全新理解以及關(guān)于世界的不同看法。有趣的是，他們倆人雖然都對量子力學(xué)的早期發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但是，愛因斯坦在最早基于普朗克的量子概念提出并運(yùn)用光量子概念成功地解釋了光電效應(yīng)，以及運(yùn)用能量量子化概念推導(dǎo)出固體比熱的量子論公式之后，卻從量子論的奠基者，變成了量子力學(xué)的最強(qiáng)烈的反對者，甚至是最尖銳的批評家。截然相反的是，玻爾在1913年同樣基于普朗克的量子概念提出了半經(jīng)典半量子的氫原子模型之后，卻成為量子力學(xué)的哥本哈根解釋的奠基人。愛因斯坦對量子力學(xué)的反對，不是質(zhì)疑其數(shù)學(xué)形式，而是對成為主流的量子力學(xué)的哥本哈根解釋深感不滿。這些不滿主要體現(xiàn)在愛因斯坦與玻爾就量子力學(xué)的基礎(chǔ)性問題展開的三次大論戰(zhàn)中。他們的第一次論戰(zhàn)是在1927年10月24日至29日在布魯塞爾召開的第五屆索爾未會議上進(jìn)行的。這次會議由洛倫茲主持，其目的是為討論量子論的意義提供一個(gè)最高級的論壇。在這次會議上，愛因斯坦第一次聽到了玻爾的互補(bǔ)性觀點(diǎn)，并試圖通過分析理想實(shí)驗(yàn)來駁倒玻爾—海森堡的解釋。這一次論戰(zhàn)以玻爾成功地捍衛(wèi)了互補(bǔ)性詮釋的邏輯無矛盾性而結(jié)束；第二次大論戰(zhàn)是于1930年10月20日至25日在布魯塞爾召開并由朗子萬主持的第六屆索爾未會議上進(jìn)行的。在這次會議上，關(guān)于量子力學(xué)的基礎(chǔ)問題仍然是許多與會代表所共同關(guān)心的主要論題。愛因斯坦繼續(xù)設(shè)計(jì)了一個(gè)“光子箱”的理想實(shí)驗(yàn)，試圖從相對論來玻爾的解釋。但是，在這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)中，愛因斯坦求助于自己創(chuàng)立的相對論來反駁海森堡提出的不確定關(guān)系，反倒被玻爾發(fā)現(xiàn)他的論證本身包含了駁倒自己推論的關(guān)鍵因素而放棄。
當(dāng)這兩個(gè)理想實(shí)驗(yàn)都被玻爾駁倒之后，愛因斯坦雖然不再懷疑不確定關(guān)系的有效性和量子理論的內(nèi)在自洽性。但是，他對整個(gè)理論的基礎(chǔ)是否堅(jiān)實(shí)仍然缺乏信任。1931年之后，愛因斯坦對量子力學(xué)的哥本哈根解釋的質(zhì)疑采取了新的態(tài)度：不是把理想實(shí)驗(yàn)用作正面攻擊海森堡的不確定關(guān)系的武器，而是試圖通過設(shè)計(jì)思想實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出一個(gè)邏輯悖論，以證明哥本哈根解釋把波函數(shù)理解成是描述單個(gè)系統(tǒng)行為的觀點(diǎn)是不完備的，而不再是證明邏輯上的不一致。在這樣的思想主導(dǎo)下，第三次論戰(zhàn)的焦點(diǎn)就集中于論證量子力學(xué)是不完備的觀點(diǎn)。1935年發(fā)表的EPR論證的文章正是在這種背景下撰寫的。從寫作風(fēng)格上來看，EPR論證既不是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，也不再是完全借助于思想實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行，而是把概念判據(jù)作為討論的邏輯前提。這樣，EPR論證就把討論量子力學(xué)是否完備的問題，轉(zhuǎn)化為討論量子力學(xué)能否滿足文章提供的概念判據(jù)的問題。由于這些概念判據(jù)事實(shí)上就是哲學(xué)假設(shè)，這就進(jìn)一步把是否滿足概念判據(jù)的問題，推向了潛在地接受什么樣的哲學(xué)假設(shè)的問題。例如，EPR論證在文章的一開始就開門見山地指出：“對于一種物理理論的任何嚴(yán)肅的考查，都必須考慮到那個(gè)獨(dú)立于任何理論之外的客觀實(shí)在同理論所使用的物理概念之間的區(qū)別。這些概念是用來對應(yīng)客觀實(shí)在的，我們利用它們來為自己描繪出實(shí)在的圖像。為了要判斷一種物理理論成功與否，我們不妨提出這樣兩個(gè)問題：（1）“這理論是正確的嗎？”（2）“這理論所作的描述是完備的嗎？”只有在對這兩個(gè)問題都具有肯定的答案時(shí)，這種理論的一些概念才可說是令人滿意的。”〔3〕從哲學(xué)意義上來看，這段開場白至少蘊(yùn)含了兩層意思，其一，物理學(xué)家之所以能夠運(yùn)用物理概念來描繪客觀實(shí)在，是因?yàn)槲锢砀拍钍菍陀^實(shí)在的表征，由這些表征描繪出的實(shí)在圖像，是可想象的。這是真理符合論的最基本的形式，也反映了經(jīng)典實(shí)在論思想的核心內(nèi)容；其二，如果一個(gè)理論是令人滿意的，當(dāng)且僅當(dāng)，這個(gè)理論既正確，又完備。那么，什么是正確的理論與完備的理論呢？EPR論證認(rèn)為，理論的正確性是由理論的結(jié)論同人的經(jīng)驗(yàn)的符合程度來判斷的。只有通過經(jīng)驗(yàn)，我們才能對實(shí)在作出一些推斷，而在物理學(xué)里，這些經(jīng)驗(yàn)是采取實(shí)驗(yàn)和量度的形式的。〔4〕也就是說，理論正確與否是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來判定的，正確的理論就是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的理論。但文章接著申明說，就量子力學(xué)的情況而言，只討論完備性問題。言外之意是，量子力學(xué)是正確的，即與實(shí)驗(yàn)相符合，但不一定是完備的。為了討論完備性問題，文章首先不加證論地給出了物理理論的完備性條件：如果一個(gè)物理理論是完備的，那么，物理實(shí)在的每一元素都必須在這個(gè)物理理論中有它的對應(yīng)量。物理實(shí)在的元素必須通過實(shí)驗(yàn)和量度來得到，而不能由先驗(yàn)的哲學(xué)思考來確定。基于這種考慮，他們又進(jìn)一步提供了關(guān)于物理實(shí)在的判據(jù)：“要是對于一個(gè)體系沒有任何干擾，我們能夠確定地預(yù)測（即幾率等于1）一個(gè)物理量的值，那末對應(yīng)于這一物理量，必定存在著一個(gè)物理實(shí)在的元素。”
文章認(rèn)為，這個(gè)實(shí)在性判據(jù)盡管不可能包括所有認(rèn)識物理實(shí)在的可能方法，但只要具備了所要求的條件，就至少向我們提供了這樣的一種方法。只要不把這個(gè)判據(jù)看成是實(shí)在的必要條件，而只看成是一個(gè)充足條件，那末這個(gè)判據(jù)同經(jīng)典實(shí)在觀和量子力學(xué)的實(shí)在觀都是符合的。綜合起來，這兩個(gè)判據(jù)的意思是說，如果一個(gè)物理量能夠?qū)?yīng)于一個(gè)物理實(shí)在的元素，那么，這個(gè)物理量就是實(shí)在的；如果一個(gè)物理理論的每一個(gè)物理量都能夠?qū)?yīng)于物理實(shí)在的一個(gè)元素，那么，這個(gè)物理學(xué)理論就是完備的。然而，根據(jù)現(xiàn)有的量子力學(xué)的基本假設(shè)，當(dāng)兩個(gè)物理量（比如，位置X與動(dòng)量P）是不可對易的量（即，XP≠PX）時(shí)，我們就不可能同時(shí)準(zhǔn)確地得到它們的值，即得到其中一個(gè)物理量的準(zhǔn)確值，就會排除得到另一個(gè)物理量的準(zhǔn)確值的可能，因?yàn)閷笠粋€(gè)物理量的測量，會改變體系的狀態(tài)，破壞前者的值。這是海森堡的不確定關(guān)系所要求的。于是，他們得出了兩種選擇：要么，（1）由波動(dòng)函數(shù)所提供的關(guān)于實(shí)在的量子力學(xué)的描述是不完備的；要么，（2）當(dāng)對應(yīng)于兩個(gè)物理量的算符不可對易時(shí)，這兩個(gè)物理量就不能同時(shí)是實(shí)在的。他們在進(jìn)行了這樣的概念闡述之后，接著設(shè)想了曾經(jīng)相互作用過的兩個(gè)系統(tǒng)分開之后的量子力學(xué)描述，然后，根據(jù)他們給定的判據(jù)，得出量子力學(xué)是不完備的結(jié)論。EPR論證發(fā)表不久，薛定諤在運(yùn)用數(shù)學(xué)觀點(diǎn)分折了EPR論證之后，以著名的“薛定諤貓”的理想實(shí)驗(yàn)為例，提出了一個(gè)不同于EPR論證，但卻支持EPR論證觀點(diǎn)的新的論證進(jìn)路。出乎意料的是，愛因斯坦卻在1936年6月19日寫給薛定諤的一封信中透露說，EPR論文是經(jīng)過他們?nèi)齻€(gè)人的共同討論之后，由于語言問題，由波多爾斯基執(zhí)筆完成的，他本人對EPR的論證沒有充分表達(dá)出他自己的真實(shí)觀點(diǎn)表示不滿。從愛因斯坦在1948年撰寫的“量子力學(xué)與實(shí)在”一文來看，愛因斯坦對量子力學(xué)的不完備性的論證主要集中于量子理論的概率特征與非定域性問題。他認(rèn)為，物理對象在時(shí)空中是獨(dú)立存在的，如果不做出這種區(qū)分，就不可能建立與檢驗(yàn)物理學(xué)定律。因此，量子力學(xué)“很可能成為以后一種理論的一部分，就像幾何光學(xué)現(xiàn)在合并在波動(dòng)光學(xué)里面一樣：相互關(guān)系仍然保持著，但其基礎(chǔ)將被一個(gè)包羅得更廣泛的基礎(chǔ)所加深或代替。”顯然，愛因斯坦后來對量子力學(xué)的不完備性問題的論證比EPR論證更具體、更明確。EPR論證中的思想實(shí)驗(yàn)只是隱含了對非定域性的質(zhì)疑，但沒有明朗化。但就論證問題的哲學(xué)前提而言，愛因斯坦與EPR論證基本上沒有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別。因此，本文下面只是從哲學(xué)意義上把EPR論證看成是基于經(jīng)典物理學(xué)的概念體系來理解量子力學(xué)的一個(gè)例證來討論，而不準(zhǔn)備專門闡述愛因斯坦本人的觀點(diǎn)。
二、玻爾的反駁與量子整體性
玻爾在EPR論證發(fā)表后不久很快就以與EPR論文同樣的題目也在《物理學(xué)評論》雜志上發(fā)表了反駁EPR論證的文章。玻爾在這篇文章中重申并升華了他的互補(bǔ)觀念。玻爾認(rèn)為，EPR論證的實(shí)在性判據(jù)中所講的“不受任何方式干擾系統(tǒng)”的說法包含著一種本質(zhì)上的含混不清，是建立在經(jīng)典測量觀基礎(chǔ)上的一種理想的說法。因?yàn)樵诮?jīng)典測量中，被測量的對象與測量儀器之間的相互作用通常可以被忽略不計(jì)，測量結(jié)果或現(xiàn)象被無歧義地認(rèn)為反映了對象的某一特性。但是，在量子測量系統(tǒng)中，不僅曾經(jīng)相互作用過的兩個(gè)粒子，在空間上彼此分離開之后，仍然必須被看成是一個(gè)整體，而且，被測量的量子系統(tǒng)與測量儀器之間存在著不可避免的相互作用，這種相互作用將會在根本意義上影響量子對象的行為表現(xiàn)，成為獲得測量結(jié)果或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象的一個(gè)基本條件，從而使人們不可能像經(jīng)典測量那樣獨(dú)立于測量手段來談?wù)撛蝇F(xiàn)象。玻爾把量子現(xiàn)象對測量設(shè)置的這種依賴性稱為量子整體性（whole-ness）。
在玻爾看來，為了明確描述被測量的對象與測量儀器之間的相互作用，希望把對象與儀器分離開來的任何企圖，都會違反這種基本的整體性。這樣，在量子測量中，量子對象的行為失去了經(jīng)典對象具有的那種自主性，即量子測量過程中所觀察到的量子對象的行為表現(xiàn)，既屬于量子對象，也屬于實(shí)驗(yàn)設(shè)置，是兩者相互作用的結(jié)果。因此，在量子測量中，“觀察”的可能性問題變成了一個(gè)突出的認(rèn)識論問題：我們不僅不能離開觀察條件來談?wù)摿孔蝇F(xiàn)象，而且，試圖明確地區(qū)分對象的自主行為以及對象與測量儀器之間的相互作用，不再是一件可能的事情。玻爾指出，“確實(shí)，在每一種實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，區(qū)分物理系統(tǒng)的測量儀器與研究客體的必要性，成為在對物理現(xiàn)象的經(jīng)典描述與量子力學(xué)的描述之間的原則性區(qū)別。”〔8〕海森堡也曾指出，“在原子物理學(xué)中，不可能再有像經(jīng)典物理學(xué)意義下的那種感知的客觀化可能性。放棄這種客觀化可能性的邏輯前提，是由于我們斷定，在觀察原子現(xiàn)象的時(shí)候，不應(yīng)該忽略觀察行動(dòng)所給予被觀察體系的那種干擾。對于我們?nèi)粘Ｉ钪信c之打交道的那些重大物體來說，觀察它們時(shí)所必然與之相連的很小一點(diǎn)干擾，自然起不了重要作用。”
另一方面，作用量子的發(fā)現(xiàn)，揭示了量子世界的不連續(xù)性。這種不連續(xù)性觀念的確立，又相應(yīng)地導(dǎo)致了一系列值得思考的根本問題。首先，就經(jīng)典概念的運(yùn)用而言，一旦我們所使用的每一個(gè)概念或詞語，不再以連續(xù)性的觀念為基礎(chǔ)，它們就會成為意義不明確的概念或詞語。如果我們希望仍然使用這些概念來描述量子現(xiàn)象，那么，我們所付出的代價(jià)是，限制這些概念的使用范圍和精確度。對于完備地反映微觀物理實(shí)在的特性而言，描述現(xiàn)象所使用的經(jīng)典概念是既相互排斥又相互補(bǔ)充的。這是玻爾的互補(bǔ)性觀念的精神所在。有鑒于此，玻爾認(rèn)為，EPR論證根本不會影響量子力學(xué)描述的可靠性，反而是揭示了按照經(jīng)典物理學(xué)中傳統(tǒng)的自然哲學(xué)觀點(diǎn)或經(jīng)典實(shí)在論來闡述量子測量現(xiàn)象時(shí)存在的本質(zhì)上的不適用性。他指出：“在所有考慮的這些現(xiàn)象中，我們所處理的不是那種以任意挑選物理實(shí)在的各種不同要素而同時(shí)犧牲其他要素為其特征的一種不完備的描述，而是那種對于本質(zhì)上不同的一些實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟的合理區(qū)分；……事實(shí)上，在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中對于物理實(shí)在描述的這一個(gè)或那一個(gè)方面的放棄（這些方面的結(jié)合是經(jīng)典物理學(xué)方法的特征，因而在此意義上它們可以被看作是彼此互補(bǔ)的），本質(zhì)上取決于量子論領(lǐng)域中精確控制客體對測量儀器反作用的不可能性；這種反作用也就是指位置測量時(shí)的動(dòng)量傳遞，以及動(dòng)量測量時(shí)的位移。正是在這后一點(diǎn)上，量子力學(xué)和普通統(tǒng)計(jì)力學(xué)之間的任何對比都是在本質(zhì)上不妥當(dāng)?shù)摹还苓@種對比對于理論的形式表示可能多么有用。事實(shí)上，在適于用來研究真正的量子現(xiàn)象的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中，我們不但必將涉及對于某些物理量的值的無知，而且還必將涉及無歧義地定義這些量的不可能性。”其次，就量子描述的可能性而言，玻爾認(rèn)為，我們“位于”世界之中，不可能再像在經(jīng)典物理學(xué)中那樣扮演“上帝之眼”的角色，站在世界之外或從“外部”來描述世界，不可能獲得作為一個(gè)整體的世界的知識。玻爾把這種描述的可能性與心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)中對自我認(rèn)識的可能性進(jìn)行了類比。在心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)中，知覺主體本身是進(jìn)行自我意識的一部分這一事實(shí)，限制了對自我認(rèn)識的純客觀描述的可能性。用玻爾形象化的比喻來說，在生活的舞臺上，我們既是演員，又是觀眾。因此，量子描述的客觀性位于理想化的純客觀描述與純主觀描述之間的某個(gè)地方。
為此，玻爾認(rèn)為，物理學(xué)的任務(wù)不是發(fā)現(xiàn)自然界究竟是怎樣的，而是提供對自然界的描述。海森堡也曾指出，在原子物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，“我們又尖銳地碰到了一個(gè)最基本的真理，即在科學(xué)方面我們不是在同自然本身而是在同自然科學(xué)打交道。”愛因斯坦則堅(jiān)持認(rèn)為，在科學(xué)中，我們應(yīng)當(dāng)關(guān)心自然界在干什么，物理學(xué)家的工作不是告訴人們關(guān)于自然界能說些什么。愛因斯坦的觀點(diǎn)是EPR論證所蘊(yùn)含的。這兩種理論觀之間的分歧，事實(shí)上，不僅是有沒有必要考慮和闡述包括概念、儀器等認(rèn)知中介的作用的分歧，而且是能否把量子力學(xué)納入到經(jīng)典科學(xué)的思維方式當(dāng)中的分歧。EPR論證以經(jīng)典科學(xué)的方法論與認(rèn)識論為前提，認(rèn)為正確的科學(xué)理論理應(yīng)是對自然界的正確反映，認(rèn)知中介對測量結(jié)果不會產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響；而玻爾與海森堡則以接受量子測量帶來的認(rèn)識論教益為前提，認(rèn)為量子力學(xué)已經(jīng)失去了經(jīng)典科學(xué)具有的那種概念與物理實(shí)在之間的一一對應(yīng)關(guān)系，認(rèn)知中介的設(shè)定成為人類認(rèn)識微觀世界的基本前提。第三，就主體與客體的關(guān)系問題而言，EPR論證認(rèn)為，認(rèn)知主體與客體之間存在著明確的分界線。這意味著，所有的主體都能對客體進(jìn)行同樣的描述，并且他們描述現(xiàn)象所用的概念與語言是無歧義的。無歧義意味著對概念或語言的意義的理解是一致的。而對于量子測量而言，對客體的描述包含了主體遵守的作為世界組成部分的描述條件的說明，從而顯現(xiàn)了一種新的主客體關(guān)系。為此，我們可以把主體與客體之間的關(guān)系劃分為三類：其一，能夠在主體與客體之間劃出分界線，所有的主體對客體的描述都是相同的，EPR論證屬于此類；其二，能夠在主體與客體之間劃出分界線，但主體對客體的描述是因人而異的，人們對藝術(shù)品的欣賞屬于此類；其三，不可能在主體與客體之間劃出分界線，主體對客體的描述包括了對測量條件的描述在內(nèi)，玻爾對EPR論證的反駁屬于此類。顯然，EPR論證隱含的主客體關(guān)系與玻爾所理解的量子測量中的主客體關(guān)系之間存在著實(shí)質(zhì)性的差別。EPR論證是沿襲了經(jīng)典實(shí)在論的觀點(diǎn)，而玻爾的觀點(diǎn)代表了他基于量子力學(xué)的形式體系總結(jié)出來的某種新的認(rèn)識。在這里，就像不能用歐幾里得幾何的時(shí)空觀來反對非歐幾何的時(shí)空觀一樣，我們也不能用經(jīng)典意義上的理論觀反對量子意義上的理論觀。因此，可以說，物理學(xué)家關(guān)于如何理解量子力學(xué)問題的爭論，在很大程度上，蘊(yùn)含了他們關(guān)于科學(xué)研究的哲學(xué)假設(shè)之間的爭論。
三、實(shí)驗(yàn)的形而上學(xué)
EPR論證不僅引發(fā)了量子物理學(xué)家關(guān)于物理學(xué)基礎(chǔ)理論問題的哲學(xué)討論，而且還創(chuàng)立了“實(shí)驗(yàn)的形而上學(xué)”，提供了物理學(xué)家如何基于形而上學(xué)的觀念之爭，最終探索出通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)其結(jié)論的一個(gè)典型案例。這一過程與尋找量子論的隱變量解釋的努力聯(lián)系在一起。量子力學(xué)的隱變量解釋的最早方案是德布羅意在1927年提出的“導(dǎo)波”理論。1932年，馮•諾意曼在他的《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》一書中曾根據(jù)量子力學(xué)的概念體系提出了四個(gè)假設(shè)，并且證明，隱變量理論和他的第四個(gè)假設(shè)（即，可加性假設(shè)）相矛盾，認(rèn)為通過設(shè)計(jì)隱變量的觀念來把量子理論置于決定論體系之中的任何企圖都注定是失敗的。馮•諾意曼的這一工作在為量子論的隱變量解釋判了死刑的同時(shí)，也極大地支持了量子力學(xué)的哥本哈根解釋。有意思的是，曾是量子力學(xué)的哥本哈根解釋的支持者與傳播者的玻姆，在1951年基于量子力學(xué)的哥本哈根精神出版了至今仍然有影響的《量子理論》一書，并在書的結(jié)尾，以EPR論證為基礎(chǔ)，提出了“量子理論同隱變量不相容的一個(gè)證明”之后，從1952年開始反而致力于從邏輯上為量子力學(xué)提供一種隱變量解釋的研究。
玻姆闡述隱變量理論的目標(biāo)可以大致概括為兩個(gè)方面，一是試圖用能夠直覺想象的概念為量子概率和量子測量提供一種可理解的說明，證明為量子論提供一個(gè)決定論的基礎(chǔ)是可行的；二是希望從邏輯上表明，隱變量理論是有可能的，“不論這種理論是多么抽象和‘玄學(xué)’。”玻姆的追求顯然是一種信念的支撐，而不是事實(shí)之使然。在這種信念的引導(dǎo)下，玻姆在1952年連續(xù)發(fā)表了兩篇闡述隱變量理論的文章，在這些文章中，他用經(jīng)典方式定義波函數(shù)，假定微觀粒子像經(jīng)典粒子一樣總是具有精確的位置和精確的動(dòng)量，闡述了一種可能的量子論的隱變量解釋，最后，用一個(gè)粒子的兩個(gè)自旋分量代替EPR論證中的坐標(biāo)與動(dòng)量，討論了EPR論證的思想實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用量子場與量子勢概念解釋了測量一個(gè)粒子的位置影響第二個(gè)粒子的動(dòng)量的原因。
貝爾在讀了玻姆的文章之后，認(rèn)為有必要重新系統(tǒng)地研究量子力學(xué)的基本問題。貝爾試圖解決的矛盾是：如果馮•諾意曼的證明成立，那么，怎么會有可能建立一個(gè)邏輯上無矛盾的隱變量理論呢？為了搞明白問題，貝爾首先重新剖析了馮•諾意曼的關(guān)于隱變量的不可能性的證明和EPR論證中設(shè)想的思想實(shí)驗(yàn)，然后，抓住了隱變量理論的共同本質(zhì)，于1964年發(fā)表了“關(guān)于EPR悖論”的文章。在這篇文章中，貝爾引述了用自旋函數(shù)來表述EPR論證的玻姆說法，或者說，從EPR—玻姆的思想實(shí)驗(yàn)出發(fā)，以轉(zhuǎn)動(dòng)不變的獨(dú)立波函數(shù)描述組合系統(tǒng)的態(tài)，推導(dǎo)出一個(gè)不同于量子力學(xué)預(yù)言的、符合定域隱變量理論的關(guān)于自旋相關(guān)度的不等式，通常稱為貝爾不等式或貝爾定理，然后，用歸謬法了量子力學(xué)的預(yù)言和貝爾不等式相符的可能性，說明任何定域的隱變量理論，不論它的變數(shù)的本性是什么，都在某些參數(shù)上同量子力學(xué)相矛盾。貝爾還假設(shè)，如果所進(jìn)行的兩個(gè)測量在空間上彼此相距甚遠(yuǎn)，那么，沿著一個(gè)磁場方向的測量，將不會影響到另一個(gè)測量結(jié)果。貝爾把這個(gè)假設(shè)稱為“定域性假設(shè)”。從這個(gè)假設(shè)出發(fā)，貝爾指出，如果我們可以從第一個(gè)測量結(jié)果預(yù)言第二個(gè)測量結(jié)果，測量可以沿著任何一個(gè)坐標(biāo)軸來進(jìn)行，那么，測量的結(jié)果一定是已經(jīng)預(yù)先確定了的。但是，由于波函數(shù)不對這種預(yù)先確定的量提供任何描述，所以，這種預(yù)定的結(jié)果一定是通過決定論的隱變量來獲得的。貝爾后來申明說，他在“關(guān)于EPR悖論”一文中假設(shè)的是定域性，而不是決定論，決定論是一種推斷，不是一個(gè)假設(shè)，或者說，貝爾的這篇文章是從定域性推論出決定論，而不是開始于決定論的隱變量。從邏輯前提上來看，貝爾的假設(shè)更接近于愛因斯坦的假設(shè)，他們都把“定域性條件”看成是比“決定論前提”更基本的概念。因此，貝爾的工作比馮•諾意曼和玻姆的工作更進(jìn)一步地推進(jìn)了關(guān)于量子力學(xué)的根本特征的理解。貝爾的這篇文章具有劃時(shí)代的意義。它不僅成為20世紀(jì)下半葉物理學(xué)與哲學(xué)研究中引用率最高的文獻(xiàn)之一，而且為進(jìn)一步設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)來澄清量子力學(xué)的內(nèi)在本性邁出了決定性的一步。粒子物理學(xué)家斯塔普（HenryStapp）甚至把貝爾定理的提出說成是“意義最深遠(yuǎn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。”
同EPR論證一樣，貝爾的這一發(fā)現(xiàn)也不是從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來的，而是基于哲學(xué)信念的邏輯推理的結(jié)果。此后，量子物理學(xué)界進(jìn)一步推廣貝爾定理的理論研究與具體實(shí)驗(yàn)方案的探索工作并行不悖地開展起來。而這些工作都與EPR論證相關(guān)。就實(shí)驗(yàn)進(jìn)展而言，物理學(xué)界承認(rèn)，阿斯佩克特等人于1982年關(guān)于“實(shí)現(xiàn)EPR-玻姆思想實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，支持了量子力學(xué)，針對這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，貝爾指出：“依我看，首先，人們必定說，這些結(jié)果是所預(yù)料到的。因?yàn)樗鼈兣c量子力學(xué)預(yù)示相一致。量子力學(xué)畢竟是科學(xué)的一個(gè)極有成就的科學(xué)分支，很難相信它可能是錯(cuò)誤的。盡管如此，人們還是認(rèn)為，我也認(rèn)為值得做這種非常具體的實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)把量子力學(xué)最奇特的一個(gè)特征分離了出來。原先，我們只是信賴于旁證。量子力學(xué)從沒有錯(cuò)過。但現(xiàn)在我們知道了，即使在這些非常苛刻的條件下，它也不會錯(cuò)的。”
雖然EPR論證的初衷是希望證明量子力學(xué)是不完備的，還沒有提出量子測量的非定域性概念，但是，物理學(xué)家則通常運(yùn)用EPR思想實(shí)驗(yàn)的術(shù)語來討論非定域性問題。經(jīng)過40多年的發(fā)展，具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果使EPR論證失去了對量子力學(xué)的挑戰(zhàn)性。一方面，這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)了非定域性是所有量子論的一個(gè)基本屬性，要求把在同一個(gè)物理過程中生成的兩個(gè)相關(guān)粒子永遠(yuǎn)當(dāng)作一個(gè)整體來對待，不能分解為兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，其中，一個(gè)粒子發(fā)生任何變化，另一個(gè)粒子必定同時(shí)發(fā)生相應(yīng)的變化，這種相互影響與它們的空間距離無關(guān)；另一方面，這些實(shí)驗(yàn)也表明了EPR論證提供的哲學(xué)假設(shè)不再是判斷量子力學(xué)是否完備的有效前提，而是反過來提醒我們需要重新思考玻爾在反駁EPR論證的觀點(diǎn)中所蘊(yùn)含的哲學(xué)啟迪。總而言之，EPR論證盡管是基于哲學(xué)假設(shè)，運(yùn)用思想實(shí)驗(yàn)，來駁斥量子力學(xué)的完備性，但在客觀上，物理學(xué)家圍繞這一論證的討論，最終在思想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上出乎意料地發(fā)展出可以具體操作的實(shí)驗(yàn)方案，并且獲得了有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這一段歷史發(fā)展不僅證明，無論在哲學(xué)假設(shè)的問題上，還是在物理概念的意義理解的問題上，量子力學(xué)都不是對經(jīng)典物理學(xué)的補(bǔ)充和擴(kuò)展，是一個(gè)蘊(yùn)含有新的哲學(xué)假設(shè)的理論。正是在這種意義上，物理學(xué)家玻恩得出了“理論物理學(xué)是真正的哲學(xué)”的斷言。
四、認(rèn)識論的思維方式
如前所述，EPR論證—玻姆—貝爾這條發(fā)展主線是把對物理學(xué)問題鑲嵌在哲學(xué)信念中進(jìn)行思考的。這一歷史片斷揭示出，基于哲學(xué)信念的邏輯推理在物理學(xué)的理論研究與實(shí)驗(yàn)研究中起到了積極的認(rèn)知作用。一方面，在這些探索方式中，不論是EPR論證的真理符合論假設(shè)，玻姆的決定論假設(shè)，還是貝爾的定域性假設(shè)，它們的初衷都是希望能夠把量子力學(xué)納入到經(jīng)典物理學(xué)的概念框架或哲學(xué)信念之中。另一方面，檢驗(yàn)貝爾不等式的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對量子力學(xué)的支持和對貝爾不等式的違背意味著，我們不應(yīng)該依舊固守經(jīng)典物理學(xué)的哲學(xué)假設(shè)來質(zhì)疑量子力學(xué)，而是應(yīng)該顛倒過來，積極主動(dòng)地揭示量子力學(xué)蘊(yùn)含的哲學(xué)思想，以進(jìn)一步明確經(jīng)典物理學(xué)的哲學(xué)假設(shè)的適用范圍。
但是，這種視域的逆轉(zhuǎn)不是簡單地倡導(dǎo)用量子力學(xué)的哲學(xué)假設(shè)取代經(jīng)典物理學(xué)的哲學(xué)假設(shè)，也不是武斷地主張用玻爾的理論觀替代EPR論證所蘊(yùn)含的理論觀，而是提倡擺脫習(xí)以為常的自然哲學(xué)的思維方式，確立認(rèn)識論的思維方式。自然哲學(xué)的思維方式是一種本體論化的思維方式。這種思維方式是從古希臘延續(xù)下來的，追求概念與實(shí)在之間的直接的一一對應(yīng)關(guān)系，忽視或缺乏對認(rèn)知過程中不可避免的認(rèn)知中介和理論框架的考慮。從起源上來講，這種無視認(rèn)知中介的本體論化的思維方式，源于常識，是對常識的一種延伸外推與精致化。近代自然科學(xué)的發(fā)展進(jìn)一步強(qiáng)化與鞏固了這種思維方式。EPR論證也是基于這種思維方式使經(jīng)典科學(xué)蘊(yùn)含的哲學(xué)假設(shè)以具體化的判據(jù)形式呈現(xiàn)出來。然而，與過去的物理學(xué)理論所不同的是。量子力學(xué)不再是關(guān)于可存在量（beable）的理論，而是關(guān)于可觀察量（observable）的理論，“是理論決定我們的觀察內(nèi)容”這一句話，既是愛因斯坦創(chuàng)立相對論的感想，也為海森堡提出不確定關(guān)系提供了觀念啟迪。就理論形式而言，量子力學(xué)的理論描述用的是數(shù)學(xué)語言，而不是日常語言。用數(shù)學(xué)語言描述的微觀世界是一個(gè)多位空間的世界，而我們作為人類，很難直觀地想象這樣的世界，更不可能直接“進(jìn)入”這個(gè)世界來“觀看”一切。人類感知的這種局限性是原則性的，從而限制了我們對微觀世界的知識的全面獲得。用玻爾的話來說，我們對一個(gè)微觀對象的最大限度的知識不可能從單個(gè)實(shí)驗(yàn)中獲得，而只能從既相互排斥又相互補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)安排中獲得。用玻恩的話來說，在量子測量中，觀察與測量并不是指自然現(xiàn)象本身，而是一種投影。
量子力學(xué)的理論范文第5篇
【關(guān)鍵詞】量子力學(xué)；教學(xué)方法；物理思想
“量子力學(xué)”是20世紀(jì)物理學(xué)對人類科學(xué)研究兩大標(biāo)志性貢獻(xiàn)之一，已經(jīng)成為理工科專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課程之一，學(xué)生熟練掌握量子力學(xué)的基本概念和基本理論，具備利用量子力學(xué)理論分析問題和解決問題的能力。對提高學(xué)生科學(xué)素，養(yǎng)培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識及亦具有十分重要的意義。但是，量子力學(xué)理論與學(xué)生長期以來接觸到的經(jīng)典物理體系相去甚遠(yuǎn)，尤其是處理問題的思路和手段與經(jīng)典物理截然不同，但它們之間又不無關(guān)聯(lián)，許多量子力學(xué)中的基本概念和基本理論是類比經(jīng)典物理中的相關(guān)內(nèi)容得出的。思維上的沖突導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時(shí)困惑不堪。此外，這門課程理論性較強(qiáng)，眾多學(xué)生陷于煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之中，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣缺失。針對這些教學(xué)中的問題，如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，已經(jīng)成為擺在教師面前的重要課題。對“量子力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)作一些合理的調(diào)整。
1 合理安排教學(xué)內(nèi)容
1.1 理清脈絡(luò)，強(qiáng)化知識背景
從經(jīng)典物理所面臨的困難出發(fā)，到半經(jīng)典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行細(xì)致的、實(shí)事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發(fā)展有一個(gè)準(zhǔn)確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經(jīng)證明為正確并得到公認(rèn)的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學(xué)生對量子力學(xué)中基本概念和基本理論的形成和建立的科學(xué)歷史背景有一深刻了解，有助于學(xué)生理清經(jīng)典物理與量子理論之間的界限和區(qū)別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學(xué)生對蘊(yùn)藏在這一歷程中的智慧火花和科學(xué)思維方法有一全面的了解，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識及科學(xué)素養(yǎng)。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設(shè)很難用已經(jīng)成形的經(jīng)典理論來解釋，學(xué)生往往會覺得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內(nèi)容時(shí)，很有必要介紹一下玻爾理論產(chǎn)生的歷史背景，告訴學(xué)生在玻爾的量子化假設(shè)之前就已經(jīng)出現(xiàn)了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關(guān)于原子光譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也已經(jīng)被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經(jīng)典物理理論及實(shí)驗(yàn)事實(shí)存在嚴(yán)重背離。為了解決這些問題，玻爾理論才應(yīng)運(yùn)而生。在用量子力學(xué)求解氫原子定態(tài)波函數(shù)時(shí)，還可以通過定態(tài)波函數(shù)的概率分布圖，向?qū)W生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實(shí)存在的，只是電子出現(xiàn)幾率比較大的區(qū)域。通過這樣講述，學(xué)生可以清晰地體會到玻爾理論的承上啟下的作用，而又不至于將其與量子力學(xué)中的概念混為一談。
1.2 重在物理思想，壓縮數(shù)學(xué)推導(dǎo)
在物理學(xué)研究中，數(shù)學(xué)只是用來表述物理思想并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式之中。因此，在教學(xué)過程中，教師要著重于加強(qiáng)基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊(yùn)含的物理實(shí)質(zhì)。對一些涉及繁難數(shù)學(xué)推導(dǎo)的內(nèi)容，在教學(xué)中刻意忽略具體數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，著重于使學(xué)生掌握其中的思想方法。例如：在一維線性諧振子問題的教學(xué)中，對于數(shù)學(xué)方面的問題，只要求學(xué)生能正確寫出薛定諤方程、記住其結(jié)論即可，重點(diǎn)放在該類問題所蘊(yùn)含的物理意義及對現(xiàn)成結(jié)論的應(yīng)用上。這樣，學(xué)生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學(xué)習(xí)熱情。
2 改進(jìn)教學(xué)方法
“量子力學(xué)”這門課程本身實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)薄弱、理論性較強(qiáng)，物理圖像不夠直觀，一味采取傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)，學(xué)生勢必感到枯燥，甚至厭煩。學(xué)習(xí)效果自然大打折扣。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)其學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)其科學(xué)探索精神及創(chuàng)新能力，在教學(xué)方法上應(yīng)進(jìn)行積極的探索。
2.1 發(fā)揮學(xué)生主體作用
在必要的教學(xué)內(nèi)容講解外，每節(jié)課都留出一定的師生互動(dòng)時(shí)間。教師通過創(chuàng)設(shè)問題情景，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究討論，或者針對已講授內(nèi)容，使學(xué)生對已學(xué)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)、總結(jié)、辨析，以加深理解；或者針對未講授內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣（比如，在講授完一維無限深方勢阱和一維線性諧振子這
兩個(gè)典型的束縛態(tài)問題后就可引導(dǎo)學(xué)生思考“非束縛態(tài)下微觀粒子又將表現(xiàn)出什么樣的行為”），這樣學(xué)生就會積極地預(yù)習(xí)下節(jié)內(nèi)容；或者選擇一些有代表性的習(xí)題，讓學(xué)生提出不同的解決辦法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵(lì)學(xué)生利用圖書館及網(wǎng)絡(luò)資源等尋求解決，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神。此外，還可使學(xué)生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關(guān)的題目進(jìn)行討論、調(diào)研并完成小組論文，這一方面激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，另一方面使其接受初步的科研訓(xùn)練，一舉兩得。
2.2 注重構(gòu)建物理圖像
在實(shí)際教學(xué)中著重注意物理圖像的構(gòu)建，使學(xué)生對一些難以理解的概念和理論形成較為直觀的印象，從而形成深刻的記憶和理解。例如：借助電子束衍射實(shí)驗(yàn)，通過三個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)過程（強(qiáng)電子束、弱電子束及弱電子束長時(shí)間曝光），即可為實(shí)物粒子的波粒二象性構(gòu)建出一幅清晰的物理圖像；借助電子束衍射實(shí)驗(yàn)圖像，再以光波類比電子波，即可凝練出波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋；借助電子雙縫衍射實(shí)驗(yàn)圖像，可使學(xué)生更易接受和理解態(tài)疊加原理；借助解析幾何中的坐標(biāo)系，可很好地為學(xué)生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標(biāo)系和表象這些概念之間有本質(zhì)上的區(qū)別，但借助這些學(xué)生已經(jīng)熟知和深刻理解的概念，可使學(xué)生非常容易地接受和理解量子力學(xué)中難以言明的概念和理論，同時(shí)，也可使學(xué)生掌握這種物理圖像的構(gòu)建能力，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維具有非常積極地作用。
3 教學(xué)手段和考核方式改革
3.1 課程教學(xué)采用多種先進(jìn)的教學(xué)方式
如安排小組討論課，對難于理解的概念和規(guī)律進(jìn)行討論。先是各小組內(nèi)討論，再是小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點(diǎn)進(jìn)行評述和指正。例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時(shí)，有的學(xué)生會認(rèn)為是全部粒子組成波函數(shù)，有的學(xué)生會認(rèn)為是經(jīng)典物理學(xué)的波。這些問題的討論激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，從而進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生對一些不易理解的概念和量子原理進(jìn)行深入理解，直至最后充分理解這些內(nèi)容。另外課程作業(yè)布置小論文，邀請國內(nèi)外專家開展系列量子力學(xué)講座等都是不錯(cuò)的方式。
3.2 堅(jiān)持研究型教學(xué)方式
把課程教學(xué)和科研相結(jié)合，在教學(xué)過程中針對教學(xué)內(nèi)容，吸取科研中的研究成果，通過結(jié)合最新的科研動(dòng)態(tài)，向?qū)W生講授在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在量子力學(xué)誕生后，作為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一的現(xiàn)代物理學(xué)的每一個(gè)分支及相關(guān)的邊緣學(xué)科都離不開量子力學(xué)這個(gè)基礎(chǔ)，量子理論與其他學(xué)科的交叉越來越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態(tài)物理到中子星、黑洞各個(gè)層次的研究以量子力學(xué)為基礎(chǔ)；量子力學(xué)在通信和納米技術(shù)中的應(yīng)用；量子理論在生物學(xué)中的應(yīng)用；量子力學(xué)與正在研究的量子計(jì)算機(jī)的關(guān)系等，在教學(xué)中適當(dāng)?shù)卮┎暹@些知識，擴(kuò)大學(xué)生的知識面，消除學(xué)生對量子力學(xué)的片面認(rèn)識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。
量子力學(xué)從誕生到發(fā)展的物理學(xué)史所包含的創(chuàng)新思維是迄今為止哪一門學(xué)科都難以比擬的。在20世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)晴空萬里，然而黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜等物理現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)重沖擊經(jīng)典物理學(xué)理論，讓經(jīng)典物理學(xué)陷入危機(jī)四伏的境地。量子力學(xué)的誕生，開啟了人類科學(xué)發(fā)展的新思維。開展好量子力學(xué)的教學(xué)活動(dòng)，在教學(xué)過程中展現(xiàn)量子力學(xué)數(shù)學(xué)形式之美，使學(xué)生在科學(xué)海洋中得到美的享受，有利于極大的提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，從精神上熏陶他們的創(chuàng)新精神。
【參考文獻(xiàn)】
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