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买球平台-量子世界中波函数到底是数学描述还是实体

 


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本文摘要:量子力学的发展有数百年历程,但身兼其理论核心之一的波函数,其本质究竟是什么,却仍然是百年未解的谜团。

量子力学的发展有数百年历程,但身兼其理论核心之一的波函数,其本质究竟是什么,却仍然是百年未解的谜团。波函数理论早已派生出有诸如激光、半导体和核能等高新技术,深刻印象变革了人类生活方式。但多年来,物理学家们明确提出各种关于波函数的假设和演绎,并设计出有各种实验展开检验,却一直没达成协议共识。

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其中最主流声音指出,波函数仅有是一种数学叙述,用来计算出来微观物体在某处经常出现的概率。但最近清华大学物理学教授龙桂鲁率领的团队,明确提出几乎有所不同的全新观点,指出波函数是微观物体的现实不存在。

有那么一个世界:崂山道士的穿墙术沦为有可能,你脚下的大地也仍然扎实,甚至世界的客观实在性也消失了,一切都要用概率来说明。这就是量子力学的世界。不同于我们日常感官到的宏观世界,量子力学所刻画的是微观世界。量子力学的理论核心之一就是利用波函数来叙述微观物体的量子状态。

然而,尽管量子力学有数百年的发展历程,但是波函数的本质是什么,仍然是一个悬而未决的谜团。近日,清华大学龙桂鲁教授以第一和通讯作者身份,在2018年第3期《中国科学:物理学力学天文学(英文版)》上公开发表的一项研究,为我们揭露了波函数的谜样面纱。双缝实验量子世界最先展出的怪事之一首先来想到量子世界最先给我们展出的一件怪事,那就是知名的双缝实验。

如果有一只大黄鸭在水池里上下转动,引起周期性的涟漪向外熄灭。一段距离外,波纹遇上了一道中间有一条针的挡板,同时,在挡板的后面,摆放探测屏用来记录通过缝隙的波的数据。波在穿越缝隙之后,开始向四周收敛波动,在探测屏上不会记录一条与缝隙直线比较的暗淡条纹。那如果水波遇到两条缝隙不会产生什么样的效果呢?我们在挡板上加上一条缝隙,结果再次发生了不一样的事情:穿越两条缝隙的波纹开始互相变换,在探测屏上构成了一系列清、亮交错的条纹,而这种可爱的图案被称作“干预图”。

“频率完全相同的两列波变换,使某些区域的振动强化,某些区域的振动弱化,而且振动强化的区域和振动弱化的区域在空间上交错排序。这种现象叫作波的干预。”龙桂鲁教授告诉他科技日报记者。

之所以不会构成一系列清、亮交错的干预图,是因为在某些地方,一个缝隙波纹的波峰恰好在另一个缝隙波纹的波峰上,从而造成更加轻微的高峰,同时,如果是两个波谷变换则不会造成更加轻微的沉降,这种现象被称作“相长干预”。但当一个波的波峰与另一个的波谷遇见时,它们互相抵销,水面完全恢复安静,这是“相位差干预”。

“任何类型的波都应当不会产生相近的干预图,比如水波、声波还有光波等。”龙桂鲁说道。干预条纹物理学最可怕实验结果之一英国物理学家托马斯·杨在1801年首次仔细观察到了光的双缝干预,一束光经过两条较宽的缝隙后产生了数条构图条纹,屏幕上交错经常出现相长和相位差干预的区域。

我们告诉光波是由大量的“光子”或者“光量子”构成的,在强光的情况下,光就是一束电磁波。因此,当一束光穿越两个缝隙时,在针后就不会互相干预,进而构成干预条纹。但是在这里,我们将看见物理学中最可怕的实验结果之一。我们每次只升空一个光子,已回避了两个光子的相互影响。

然而,在这种情况下,经过长时间的累积,干预条纹仍然不会经常出现。每个光子抵达屏幕时,只产生一个亮点。第一个光子在屏幕上一个特定方位被检测到,第二个、第三个以及第四个也一样,每一个光子都将在屏幕上产生一个亮点,展现出出有粒子的特性。

但如果大大升空单个的光子,在升空充足多的单个光子后,这些光子在屏幕上就构成了干预条纹的图案。虽然我们不告诉每个光子不会落在屏幕上哪一点,也不告诉下一个光子不会落在哪,然而每个光子在落向屏幕时认同是干预条纹亮点的地方,会落在干预暗点的地方,这样最后呈现干预条纹。

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光子并不是唯一这样做到的粒子,升空单个电子穿越一对缝隙,它也不会在屏幕上一点处掉落,升空许多的电子后,不会构成某种程度的干预条纹,甚至用包括有几千个原子、电子、原子核构成的大分子做到双狭缝实验,也能仔细观察到这一怪异的现象。此时,每个光子、电子或原子经过双狭缝时展现出出波的干预性质,这展现出出有微观粒子的波动性,而在屏幕上我们看见的只是一个亮点,又展现出出有粒子性。

我们将微观粒子的这种既有波动性又有粒子性的不可思议性质,叫作波粒二象性。多家演绎对波函数实质的有所不同叙述量子力学把叙述微观粒子状态的函数称作波函数。双缝实验中,在实验的两端我们告诉粒子的方位,粒子从我们敲单光子激光器或电子枪的方位开始运动,并在屏幕上一个确认方位被观测,所以粒子或许在两端更为类粒,而展现出出有的干预在中间是类似于波动的。

那么光子从升空到观测到底经历了什么样的过程?波函数起了什么样的起到?这就牵涉到到量子力学的基本问题:波函数的实质是什么?现在多种关于波函数的演绎,对这个过程展开了有所不同的叙述。哥本哈根概率波演绎波恩、海森堡和玻尔所反对的哥本哈根演绎,是现在的主流派。“哥本哈根演绎指出波函数没物理本质,仅有是一种数学叙述,用来计算出来微观物体在某一处经常出现的概率,只要计算结果与实验结果吻合才可。”龙桂鲁说。

哥本哈根演绎中,对微观粒子展开测量时,微观粒子由多种可能性的迭加态切换到一个特定的本征态,体系的状态转化成瞬时再次发生,这称为“波函数塌缩”。粒子明确切换到哪一个状态是几乎随机的。德布罗意导航系统波演绎导航系统波理论最先在1927年由法国理论物理学家德布罗意明确提出。

美国物理学家玻姆在1952年开始接掌,仍然研究到1992年辞世。因此该理论也被称作德布罗意—玻姆理论。“德布罗意导航系统波演绎指出波函数就是一个引领波,粒子按照这个波函数的引领回头,也就是说粒子行驶的方位是被一个波函数引领好的。

”龙桂鲁说。在德布罗意—玻姆理论中,电子一直享有确认的方位,即便该方位无法被观察者察觉到。

电子的方位受到导航系统波的引领。一个电子不能通过一条缝隙,但导航系统波可以同时穿越两条缝隙。导航系统波的干预产生了探测屏上的干预图。埃弗莱魏茨县世界演绎多世界理论由美国物理学家休·埃弗莱兹明确提出。

龙桂鲁讲解,多世界理论指出当粒子经过双缝后,不会经常出现两个有所不同的世界,在其中一个世界里粒子穿越了左边的缝隙,而在另一个世界里粒子则通过了右边的缝隙。波函数不必须“塌缩”,去随机自由选择左还是右,事实上两种有可能都再次发生了。只不过它展现出为两个世界:生活在一个世界中的人们找到在他们那里粒子通过了左边的缝隙,而生活在另一个世界的人们仔细观察到的粒子则在右边。

也就是说,粒子穿越双缝的一瞬间产生了多个平行宇宙,每个宇宙对应一种可能性。由于我们只是刚好生活在其中一个平行宇宙中,所以只仔细观察到了一种结果。


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