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量子力学学习心得

已有 11226 次阅读 2011-3-15 19:23 |个人分类:课程心得|系统分类:科研笔记| 量子力学, 学习心得

       物理是一门实验科学,量子力学以近乎极端的方式提醒了我们这一点。没有什么是真实的,除非我们实施了测量,而测量本身又会决定事物以后的演化初条件。我这样理解(目前所学的)量子力学所干的事:正如相对论对“标尺”、“时钟”的概念进行批判,指出一切信号传播具有有限速度,从而发现很多经典概念(如同时性)的“相对性”一样,量子力学也是基于对概念的批判:其一是对“时间—空间”的一致性的批判,实验显示出“波粒二象”,我们不得不将波和粒子整合考虑。而在一个确定时间,经典图像是波有空间延展性而粒子有确定位置,故而“波粒二象性”实质上就指出了时间—空间一致性的矛盾。其二是对“测量”的批判,量子力学指出了主体的测量对客体的深刻影响,这种影响的实验表现在量子力学体系中表述为一条基本假设:测量将引起波函数的坍缩。从各种论证不确定关系的实验实例可以看出,是“波粒二象性”和 “测量”这两个概念合起来导致了不确定关系,即不确定关系是一种测量的性质。因为我们只能用测量来了解事物,所以总会有不确定关系制约我们对事物的了解。

       “测量导致波函数坍缩”,这是一个让人越想越迷惑的命题。首先,波函数是什么?有波尔的统计诠释:其模方表示在某一坐标找到粒子的几率。波函数常常是延伸至无限远处,那“坍缩”与相对论中信息传播不大于光速有矛盾吗?我想也许这里的关键在于波函数是一种实验上的概念。给定粒子一个态,我们用实验手段测量它的坐标,并且用很多处于同一种态下的粒子重复这种测量,最后绘出粒子在所测坐标上的概率分布曲线,它就是这个态对应波函数模方的曲线。量子力学中波函数的统计诠释只有与实验相联系,而这实验所观测的对象又可以用统计学来处理时,才有意义。于是所谓“坍缩”,就是由于测量总会给粒子以不可消除的影响,使其测量后在统计诠释中的概率分布和测量前不同。测量前,我们不知道它在哪里,只有通过测量确定。测量后,我们知道了它在哪里,但是我们又影响了它,由于不确定关系,我们又不能无限精确地了解这种影响,从而它之后的状态还是概率性的。据此可知,我们对粒子的了解永远不能完全排除概率性,此即粒子的量子特性。也许这算是对“坍缩”得到一些认识吧,但是哪怕是这一点认识都潜伏着更多的问题,比如为什么测量的影响恰好让粒子坍缩到所测量物理量的本征态,不论测之前是什么状态?尤其是在量子水壶效应当中,这里测量动力学机制是什么?不止如此,很多物理过程坍缩的地点本身就很有疑惑性,比如发射激光的过程中,什么是测量?哪个过程发生坍缩?是一个激发态原子跃迁发出光子打到相邻激发态原子时,还是我们测量发出的激光光束的频率、强度时?定义测量的普遍准则是什么?我已经糊涂了。
    

     还有一个关于不确定性关系定量上的小问题。我们知道严格的不确定性关系右边是h/4π 但是索末菲量子化条件中却是用h,在统计物理里的半经典近似中,对象空间量子化时号称用不确定关系,但是却用h作为最小单元体积而不用h/4π,这引起了很多同学们的讨论。最后发现,不确定性关系中当且仅当粒子波函数是高斯型时取得,而这只可能是束缚态。统计物理里的半经典近似中,讨论的是近独立粒子体系,这应该用自由粒子的不确定性关系,即右边是h。实际上,我们在实验中测坐标、动量时一般都是把粒子处理成自由时才测的,所以显然不确定关系ΔpΔx~h会更常用。

     总之,我理解,量子力学是一个极其强调实验的科学,它“从实验中来,到实验中去“,它的最基本语言——态矢(波函数)就是一个预言实验观测的一个很”形而上“的东西,可观测物理量可以通过它定义为算符。我们可以讨论态矢所在希尔伯特空间的各种性质,定义其上的各种算符作用等等,从而不知怎么地就让测量等价于波矢对本征矢投影,手法莫名其妙,但与实验结果一对,超级精确!OK!但这个态矢对粒子自个儿又有什么实在性呢?不知道……但是,量子力学又是现代科学的基础,它在解释和预言实验现象上又是迄今最精确的科学。我只好和大多数同学一样,面对这并不美但却实用的量子力学,咕哝着,感慨着,继续纠结思索下去……



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