首先我會沿著如下的線索描繪量子力學(xué)的歷史:電磁波究竟是什么惑艇?(波動說和粒子說)-以牛頓為代表的粒子說占據(jù)主流(第一次波粒戰(zhàn)爭)-托馬斯楊的牛頓環(huán)實驗引起了波動說大發(fā)展(第二次波粒戰(zhàn)爭)-普朗克關(guān)于黑體的研究提出了量子的概念(第三次波粒戰(zhàn)爭開始)-波粒二象性(第三次波粒戰(zhàn)爭結(jié)束)-坍縮(薛定諤的貓)-平行世界
電磁波究竟是什么?(波動說和粒子說)
波動說認為光不是一種物質(zhì)粒子邦尊,而是由介質(zhì)震動而產(chǎn)生的波瘩缆,光通過介質(zhì)以太來傳播关拒。最早波動學(xué)說認為光是一種縱波,在后續(xù)研究光的干涉的時候才認為光是一種橫波庸娱。
第一次波粒戰(zhàn)爭
主要以牛頓為首的科學(xué)家認為光是一種粒子夏醉,并且出版皇皇巨著《光學(xué)》,從粒子的角度闡釋了薄膜透光涌韩、牛頓環(huán)以及衍射試驗中的種種現(xiàn)象畔柔,并質(zhì)疑如果光是一種波為什么光無法像聲音那樣繞開障礙物前進。
第二次波粒戰(zhàn)爭
托馬斯楊仔研究牛頓環(huán)的敏感條紋時想到了利用波的干涉現(xiàn)象來解釋臣樱,并通過試驗數(shù)據(jù)初步計算出了波長靶擦。但是很快粒子說拋出馬呂斯現(xiàn)象(光的偏振現(xiàn)象),質(zhì)疑波動說雇毫。但是1818年法國科學(xué)院一個懸賞征文競賽玄捕,一個年輕的工程師菲涅爾提交了一篇論文,它采用了光時一種波動的觀點棚放,并以嚴密的數(shù)學(xué)推理枚粘,極為圓滿的解釋了光的衍射問題。委員會審查論文的時候發(fā)現(xiàn)如果運用這個理論研究圓盤衍射的時候飘蚯,在陰影區(qū)會有一個亮斑馍迄,這就是著名的柏松亮斑福也,接是偉大的Maxwell三大定律,以及在德國小鎮(zhèn)卡爾厄魯斯安培不僅驗證了Maxwell定律攀圈,還驗證了光就是電磁波的一種暴凑,由此一個偉大的時候到來了。
第三次波粒戰(zhàn)爭開始
隨著研究進一步深入赘来,研究方向轉(zhuǎn)入對黑體的研究现喳,對于推倒能量密度公式由兩個思路,從粒子的角度出發(fā)推倒就得到了適用于短波的維恩公式犬辰,而從經(jīng)典電磁波的角度推倒就得到了適用于長波的瑞利-金斯公式嗦篱。
普朗克通過插值的方式合并到了一起,得到了普朗克黑體輻射公式幌缝,并通過試驗數(shù)據(jù)的驗證灸促。但是普朗克僅是通過了數(shù)學(xué)的方式得到了公式但是對于公式背后代表的意義,普朗克一籌莫展狮腿。為了揭開這個神秘世界腿宰,普朗克引入了分子運動理論呕诉,并在處理熵和幾率時缘厢,如果要使方程成立不得不假設(shè)能量不是連續(xù)不斷的,而是一份一份的甩挫。正是這個假設(shè)推到了自牛頓以來200多年贴硫,曾被認為是不可摧毀的經(jīng)典世界。應(yīng)為連續(xù)性伊者,平滑行的假設(shè)被認為是微積分的基礎(chǔ)英遭,普朗克把這個能量最小的單位成為能量子,后簡稱量子亦渗。
讓我們接著來看一個現(xiàn)象:光電效應(yīng)挖诸。
對于光電效益可以得出兩個基本事實:首先對于特定的金屬來說,光是否能夠從它的表面打擊出電子法精,這只是和光的頻率有關(guān)系多律。其次能否打擊出電子和光強無關(guān)。關(guān)于光電效應(yīng)的事實當時的理論(波動學(xué)說)是無法解釋的搂蜓,問題不僅是這些種種跡象表明光的頻率和打出電子的能量有密切的關(guān)系狼荞。每一種頻率的光打出的能電子的能量都有對應(yīng)的上限。知道愛因斯坦提出光量子的角度一切豁然開朗帮碰。能量只能一份一份的接收相味,頻率高的光線的單個量子比頻率低的光線的更高,因此光量子作用于金屬表面時就能激發(fā)出擁有更高能量的電子殉挽,如果光亮子太弱則不能激發(fā)出電子丰涉。強光僅是包含的量子數(shù)更多而已拓巧。可是光不是一種波么昔搂?和量子有什么關(guān)系呢玲销?與此同時德布羅意根據(jù)愛因斯坦的相對論,得出了德步羅意波長摘符,德布羅意又把這種波稱為相波贤斜。德布羅意在他的博士論文就是關(guān)于德布羅意波的證明,雖然答辯委員會評委不接受德布羅意的觀點(德布羅意憑借此論文獲得諾貝爾獎)逛裤。電子是波的問題引發(fā)了第三次波粒戰(zhàn)爭瘩绒。
波粒二象性(第三次波粒戰(zhàn)爭結(jié)束)
而薛定諤由經(jīng)典力學(xué)的哈密頓—雅可比方程出發(fā)利用變分法和德布羅意公式,最后求出了非相對論的波動方程带族,用希臘字母Ψ代表波的函數(shù)锁荔,這個公式就是薛定諤波動方程。哥本哈根學(xué)派對薛定諤的波動方程進行了隨機的解釋蝙砌,認為薛定諤的波動方程中的Ψ代表隨機性阳堕。
我們現(xiàn)在按照隨機行的解釋來重新審視雙縫試驗,假設(shè)某一個電子射出通過雙縫择克,最終落在感應(yīng)屏上恬总,電子落的位置是隨機的,但是落在某個位置的概率是確定的肚邢。這句話可以這么理解壹堰,電子落在亮區(qū)位置的概率遠高于暗區(qū),也就是說暗區(qū)也會有電子落入只是因為數(shù)量少骡湖,所以看起來是暗的贱纠。至此第三次波粒戰(zhàn)爭以這樣戲劇化的方式收場,量子世界這種奇妙的結(jié)合就是大名鼎鼎的波粒二象性响蕴。
現(xiàn)在我們來用隨機行來說明雙縫干涉試驗的過程谆焊,假如我們采用任其自然的觀測方式,讓他自由的在空間中傳播浦夷,這時候電子波動的一面就占了上風(fēng)辖试。于是他以某種方式穿過狹縫,自身與自身發(fā)生干涉军拟,剃执,其波函數(shù)按照嚴格的干涉圖形發(fā)展,但是當他撞到電子感應(yīng)屏的一剎那懈息,波函數(shù)就確定了肾档,僅當觀測的一剎那,才能確定粒子的位置。量子物理學(xué)家告訴我們我們的結(jié)論和我們的觀測行為本身大有聯(lián)系怒见。例如俗慈,人眼只能看到400-760納米波長的光,這些光回合在一起才是我們所見的白色遣耍。假設(shè)我們看到白色的馬闺阱,可能蜜蜂就不這么認為了,蜜蜂看不到紅光到黃光舵变,但是能看到綠光到紫光以及一部分紫外線酣溃,所以蜜蜂看到的這匹馬可能呈現(xiàn)藍紫色(我們定義白色是紅光到紫光的混合光)。關(guān)于顏色的論斷纪隙,都是結(jié)合某種觀測方式來說的赊豌,如果脫離了觀測手段,根本不存在本色的說法绵咱。
坍縮(薛定諤的貓)
哥本哈根學(xué)派認為將電子在撞上電子感應(yīng)屏的一剎那碘饼,有代表隨機行的波函數(shù)轉(zhuǎn)為確定的一點的這個過程叫坍縮(collapse)。
上帝擲骰子么悲伶?很多物理學(xué)家難以接受這一點艾恼,長期以來的科學(xué)從來是追求確定性的。有科學(xué)家很快提出質(zhì)疑麸锉,薛定諤就是其中一位钠绍。
薛定諤也提出了關(guān)于貓的悖論:把一個放射新原子放在一個不透明的箱子里,讓它保持隨機性的狀態(tài)淮椰。當原子衰變是會放出一個中子五慈,通過一種結(jié)構(gòu)巧妙的裝置纳寂,打破毒氣罐主穗,同時箱子里還有一只可憐的貓。
根據(jù)推論我們知道放射性原子處在衰變/不衰變的狀態(tài)毙芜,因為原子的狀態(tài)不確定忽媒,所以貓的狀態(tài)也不確定,只有我們打開箱子的一剎那腋粥,才能確定晦雨,請問在這之前是什么狀態(tài),難道處于死/活的疊加態(tài)隘冲,豈不是荒謬闹瞧。
平行世界
同時一些科學(xué)家也給出了很多新的學(xué)說平行世界就是其中之一,在薛定諤的貓這個悖論中解釋為有兩個世界展辞,一個世界貓已經(jīng)死了奥邮,還有一個世界貓還活著。平行宇宙理論認為每次坍縮,都會創(chuàng)造兩個平行洽腺,我們看到的東西因為我們所處在這個世界的發(fā)生了脚粟。
關(guān)于我的一點看法:其實我們在說的雙峰干涉也好,薛定諤的貓也好蘸朋,我們其實在談到粒子的時候其實這個時候是不確定的核无,當說到某個粒子的時候就確定了。我按照我的理解闡釋一遍雙縫干涉的問題:當我們釋放一個粒子的時候這個粒子符合波函數(shù)的隨機性藕坯,通過雙縫后自己和自己發(fā)生干涉团南,最終撞在感應(yīng)屏上。因為我們沒有研究具體的某個粒子狀態(tài)炼彪,所以只能研究粒子落在某個區(qū)域的概率問題已慢。當我們研究某一個粒子時,其實這個時候就已經(jīng)有確定的結(jié)果了霹购,只不過我們目前的手段不能精確的計算出他的位置佑惠。其實我們之前講的隨機性并不是整個過程隨機而是我們選取的某個粒子狀態(tài)是隨機的。