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1、量子力学回顾量子力学回顾1本讲稿第一页，共三十四页前前 言言 自自从从量量子子理理论论诞诞生生以以来来，围围绕绕着着它它的的解解释释一一直直存存在在着着争争论论。其其争争论论的的主主要要焦焦点点在在于于对对正正统统观观点点的的不不满满足足，以以及及对对其其理理论论上上的的缺缺陷陷的的弥弥补补和和完完善善。量量子子力力学学到到今今天天仍仍在在蓬蓬勃勃地地发发展展，离离不不开开这这些些反反对对者者们们的的探探索索工工作作，他他们们的的贡贡献献也也同同样样是是应应该该被被铭铭记记的的。本本讲讲座座将将就就8080多多年年来来对对量量子子力力学学的的不不同同解解释释作作一一简简要要回回顾顾，希希望望能

2、能对对同同学学们们全全面面地地、深刻地理解量子力学起到一定的作用。深刻地理解量子力学起到一定的作用。2本讲稿第二页，共三十四页量子力学量子力学过去过去 现在现在 未来未来n“正统”与“异端”的大PKn n你方唱罢我登场的角斗场n问大地苍茫，谁主沉浮？3本讲稿第三页，共三十四页一、“正统”与“异端”的大PK1927192719271927年是量子理论发展史上重要的一年，量年是量子理论发展史上重要的一年，量年是量子理论发展史上重要的一年，量年是量子理论发展史上重要的一年，量子力子力子力子力学中的哥本哈根解释正式形成，成为以后八十年学中的哥本哈根解释正式形成，成为以后八十年学中的哥本哈根解释正式形成

3、，成为以后八十年学中的哥本哈根解释正式形成，成为以后八十年来在量子帝国中占据统治地位的来在量子帝国中占据统治地位的来在量子帝国中占据统治地位的来在量子帝国中占据统治地位的“哥本哈根王朝哥本哈根王朝哥本哈根王朝哥本哈根王朝”的开端。的开端。的开端。的开端。BohrBohrBohrBohr，量子公设和原子理论新进展，量子公设和原子理论新进展，量子公设和原子理论新进展，量子公设和原子理论新进展，1927192719271927 哥本哈根学派三大理论基础哥本哈根学派三大理论基础哥本哈根学派三大理论基础哥本哈根学派三大理论基础 Bohn Bohn Bohn Bohn 的几率波解释的几率波解释的几率波解释

4、的几率波解释 Heisenberg Heisenberg Heisenberg Heisenberg 的不确定度关系的不确定度关系的不确定度关系的不确定度关系 Bohr Bohr Bohr Bohr 的互补原理的互补原理的互补原理的互补原理 1927 1927 1927 1927年第五届索尔维会议年第五届索尔维会议年第五届索尔维会议年第五届索尔维会议11、哥本哈根王朝的建立、哥本哈根王朝的建立4本讲稿第四页，共三十四页2、抵抗运、抵抗运动的的兴起起EinsteinEinsteinEinsteinEinstein语录：语录：语录：语录：“人人们们应应该该为为它它的的成成功功而而感感到到羞羞愧愧,

5、因因为为它它是是根根据据耶耶稣稣会会的的格格言言不不可可让你的左手知道你右手所做的事让你的左手知道你右手所做的事而获得的。而获得的。”1919 1919年致玻恩年致玻恩“在在那那种种情情况况下下，我我宁宁愿愿做做一一个个补补鞋鞋匠匠，或或者者甚甚至至做做一一个个赌赌场场中中的雇员，而不愿意做一个物理学家。的雇员，而不愿意做一个物理学家。”1924 1924年致玻恩年致玻恩“海海森森堡堡狄狄拉拉克克的的理理论论我我固固然然不不得得不不钦钦佩佩，但但是是我我却却闻闻不不到到真真理理的的气味。气味。”1926 1926年致索末菲年致索末菲“量量子子力力学学固固然然是是堂堂皇皇的的，可可是是有有一一种

6、种内内在在的的声声音音告告诉诉我我，它它还还不不是是事事物物的的真真谛谛所所在在。该该理理论论虽虽然然富富有有成成果果，但但是是却却几几乎乎没没有有在在接接近近古古老老的的神神秘秘方方面面使使我我们们更更进进一一步步。无无论论如如何何，我我坚坚信信：上上帝帝不不玩骰子。玩骰子。”1926 1926年致玻恩年致玻恩5本讲稿第五页，共三十四页 VSVS3 3、第一次索尔维会战（第一次索尔维会战（19271927）6本讲稿第六页，共三十四页1927 第五届索尔维会议德布罗意的导波理论德布罗意的导波理论德布罗意的导波理论德布罗意的导波理论 薛定谔：薛定谔：薛定谔：薛定谔：”真实的系统是真实的系统是真实

7、的系统是真实的系统是一个处于所有可能状态的经典系统的复合系统，它通一个处于所有可能状态的经典系统的复合系统，它通一个处于所有可能状态的经典系统的复合系统，它通一个处于所有可能状态的经典系统的复合系统，它通过将过将过将过将*作为权重函数而获得。作为权重函数而获得。作为权重函数而获得。作为权重函数而获得。”爱因斯坦：爱因斯坦：爱因斯坦：爱因斯坦：“认为认为认为认为|2 2 2 2 是表示一个粒子存在于完全是表示一个粒子存在于完全是表示一个粒子存在于完全是表示一个粒子存在于完全确定的地方的几率，这样的一种解释（即正统解释）就确定的地方的几率，这样的一种解释（即正统解释）就确定的地方的几率，这样的一种

8、解释（即正统解释）就确定的地方的几率，这样的一种解释（即正统解释）就必须以完全特殊的超距作用为前提，从而不允许连续分必须以完全特殊的超距作用为前提，从而不允许连续分必须以完全特殊的超距作用为前提，从而不允许连续分必须以完全特殊的超距作用为前提，从而不允许连续分布在空间中的波同时在胶片的两个部分表现出自己的作布在空间中的波同时在胶片的两个部分表现出自己的作布在空间中的波同时在胶片的两个部分表现出自己的作布在空间中的波同时在胶片的两个部分表现出自己的作用。用。用。用。”玻尔等人的反击玻尔等人的反击玻尔等人的反击玻尔等人的反击 7本讲稿第七页，共三十四页4 4、第二次索尔维会战（、第二次索尔维会战（

9、19301930）Einstein&BohrEinstein&BohrEinstein&BohrEinstein&Bohr8本讲稿第八页，共三十四页玻尔的回答：引力红移效应玻尔的回答：引力红移效应爱因斯坦光子箱爱因斯坦光子箱爱因斯坦光子箱爱因斯坦光子箱9本讲稿第九页，共三十四页19301930年第年第6 6届索尔维会议届索尔维会议卢瑟福回忆：卢瑟福回忆：“我将永远不会忘记他们两个我将永远不会忘记他们两个离开会场的情形：爱因斯坦，离开会场的情形：爱因斯坦，一个高大的形象，平静地走着，一个高大的形象，平静地走着，还带着一点讥讽的微笑，还带着一点讥讽的微笑，而玻尔则沮丧地跟在他的旁边。而玻尔则沮丧地

10、跟在他的旁边。第二天上午就迎来了玻尔的第二天上午就迎来了玻尔的胜利。胜利。”10本讲稿第十页，共三十四页5 5、争论目标的转移与战争的长期化、争论目标的转移与战争的长期化A.Einstein,B.Podolsky&N.Rosen,A.Einstein,B.Podolsky&N.Rosen,A.Einstein,B.Podolsky&N.Rosen,A.Einstein,B.Podolsky&N.Rosen,“Can Can Can Can quantum quantum quantum quantum mechanical mechanical mechanical mechanical de

11、scription description description description of of of of physical physical physical physical reality reality reality reality be be be be considered considered considered considered complete?complete?complete?complete?”1935 1935 1935 1935完备性：完备性：完备性：完备性：必要条件：物理实在的每一要素在理论中要有必要条件：物理实在的每一要素在理论中要有必要条件：物

12、理实在的每一要素在理论中要有必要条件：物理实在的每一要素在理论中要有 对对对对应部分应部分应部分应部分 充分条件：不干扰这个体系而能对它做确定测量充分条件：不干扰这个体系而能对它做确定测量充分条件：不干扰这个体系而能对它做确定测量充分条件：不干扰这个体系而能对它做确定测量11本讲稿第十一页，共三十四页EPREPR问题的反响：问题的反响：问题的反响：问题的反响：薛薛薛薛定定定定谔谔谔谔：“我我我我非非非非常常常常高高高高兴兴兴兴，你你你你刚刚刚刚刚刚刚刚发发发发表表表表的的的的文文文文章章章章已已已已经经经经明明明明显显显显地地地地抓抓抓抓住住住住了了了了独断的量子力学的小辫子。独断的量子力学的

13、小辫子。独断的量子力学的小辫子。独断的量子力学的小辫子。”罗罗罗罗森森森森菲菲菲菲尔尔尔尔德德德德：“当当当当玻玻玻玻尔尔尔尔听听听听到到到到我我我我报报报报告告告告爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦的的的的论论论论证证证证后后后后，马马马马上上上上放放放放下所有的工作说，我们要立刻澄清这个误解。下所有的工作说，我们要立刻澄清这个误解。下所有的工作说，我们要立刻澄清这个误解。下所有的工作说，我们要立刻澄清这个误解。”玻尔玻尔玻尔玻尔 :“量量量量子子子子力力力力学学学学是是是是一一一一个个个个和和和和谐谐谐谐的的的的数数数数学学学学形形形形式式式式体体体体系系系系，它它它它的的的的预预预预测测测

14、测与与与与微微微微观观观观领领领领域域域域的的的的实实实实验验验验结结结结果果果果符符符符合合合合得得得得很很很很好好好好。既既既既然然然然一一一一个个个个物物物物理理理理理理理理论论论论的的的的预预预预测测测测都都都都能能能能够够够够被被被被实实实实验验验验所所所所证证证证实实实实，而而而而且且且且实实实实验验验验又又又又不不不不能能能能得得得得出出出出比比比比理理理理论论论论更更更更多多多多的的的的东东东东西西西西，那那那那么么么么，我我我我们们们们还还还还有有有有什什什什么么么么理理理理由由由由对对对对这这这这个个个个理理理理论论论论提提提提出出出出更更更更高高高高的的的的完完完完备备备

15、备性性性性要要要要求求求求呢呢呢呢？因因因因此此此此，从从从从它它它它自自自自身身身身逻逻逻逻辑辑辑辑的的的的相相相相容容容容性性性性以以以以及及及及与与与与经经经经验验验验符符符符合合合合的的的的程程程程度度度度来来来来看看看看，量量量量子子子子力力力力学学学学是是是是完完完完备的。备的。备的。备的。”12本讲稿第十二页，共三十四页薛定谔猫的出笼（薛定谔猫的出笼（薛定谔猫的出笼（薛定谔猫的出笼（19351935）13本讲稿第十三页，共三十四页爱因斯坦致薛定谔：爱因斯坦致薛定谔：“海森堡海森堡玻尔的绥靖哲学玻尔的绥靖哲学或绥靖宗教？或绥靖宗教？是如此精心策划的，使它得是如此精心策划的，使它得以

16、向那些信徒暂时提供一个以向那些信徒暂时提供一个舒适的软枕。那种人不是那舒适的软枕。那种人不是那么容易从这个软枕上惊醒的，么容易从这个软枕上惊醒的，那就让他们躺着吧。那就让他们躺着吧。”14本讲稿第十四页，共三十四页薛定谔晚年的总结：薛定谔晚年的总结：“除除了了几几人人以以外外（例例如如爱爱因因斯斯坦坦、劳劳厄厄），其其余余的的理理论论物物理理学学家家都都是是纯纯粹粹的的笨笨人人，而而我我是是惟惟一一活活下下来来的的健健全全的的人人。那那个个日日夜夜折折磨磨我我们们的的伟伟大大的的难难题题就就是是波波粒粒二二象象性性。互互补补性性只只是是一一个个轻轻率率的的口口号号，如如果果我我不不是是完完全全

17、确确信信这这个个人人（玻玻尔尔）是是诚诚实实的的，并并且且真真的的相相信信他他的的口口号号，我我不不能能说说理理论论是是适适当当的的，我我将将认认为为它它在在学学术术上是不道德的。上是不道德的。”1959 1959年致辛格年致辛格15本讲稿第十五页，共三十四页量子力学量子力学过去过去 现在现在 未来未来n n“正统”与“异端”的大PKn n你方唱罢我登场的角斗场n问大地苍茫，谁主沉浮？16本讲稿第十六页，共三十四页二、你方唱二、你方唱罢我登我登场的角斗的角斗场创始人创始人 David Bohm 1952 David Bohm 1952年提出年提出主主要要观观点点：粒粒子子仍仍然然是是沿沿着着精

18、精确确的的连连续续轨轨迹迹运运动动的的，只只是是这这条条轨轨迹迹不不仅仅由由通通常常的的力力决决定定，还还受受着着量量子子势势的的影影响响。量量子子势势由由波波函函数数产产生生，它它通通过过提提供供关关于于整整个个环环境境的的能能动动信信息息来来引引导导粒粒子子运运动动。波波函函数数被被看看作作是是一一种种存存在在于于数数学学配配置置空空间间中中的的物物理理场场，永永不不坍坍缩缩，而而粒粒子子则则由由波波函函数数引引导导进进行行连连续续运运动动，同同时时具具有有确确定定的的位位置置和和速速度度。在在对对测测量量的的看看法法上上，认认为为量量子子系系统统的的性性质质不不只只属属于于系系统统本本身

19、身，同同时时也也决决定定于于测测量量装装置置，是是一一个个整整体特性。体特性。1、量子力学之隐变量解释17本讲稿第十七页，共三十四页双缝实验的玻姆轨迹18本讲稿第十八页，共三十四页隐变量解释的意义与局限隐隐变变量量解解释释第第一一次次真真正正打打破破了了正正统统观观点点的的一一统统天天下下，让让人人们们认认识到量子现象背后的微观实在有存在的可能性。识到量子现象背后的微观实在有存在的可能性。BohmBohm：该解释：该解释“打开了通往更微妙的实在底层的大门。打开了通往更微妙的实在底层的大门。”爱爱因因斯斯坦坦致致玻玻恩恩：“你你曾曾听听说说过过玻玻姆姆认认为为就就像像德德布布罗罗意意2525年年

20、前前一一样样他他已已能能用用决决定定论论的的精精神神来来解解释释量量子子理理论论了了吗吗？我我觉得这种方法似乎太廉价了。觉得这种方法似乎太廉价了。”由由于于引引入入的的隐隐变变量量都都是是不不可可测测知知的的，因因此此对对物物理理量量的的测测量量总总是是产产生生与与量量子子力力学学相相一一致致的的结结果果，如如总总是是满满足足不不确确定定性性关关系系等等。隐隐变变量量解解释虽然找回了粒子的轨迹，但却是一条永远不可见的轨迹。释虽然找回了粒子的轨迹，但却是一条永远不可见的轨迹。19本讲稿第十九页，共三十四页贝尔不等式贝尔不等式John Bell 1964John Bell 1964年提出年提出主主

21、要要观观点点：从从隐隐变变量量理理论论出出发发,导导出出一一个个需需要要满满足足的普适性不等式。的普适性不等式。实验情况：实验情况：Aspect 1982Aspect 1982隐变量解释的前景隐变量解释的前景:定域性隐变量与非定域性隐变量定域性隐变量与非定域性隐变量例：两电子，总自旋为例：两电子，总自旋为例：两电子，总自旋为例：两电子，总自旋为0000粒子粒子粒子粒子1111：沿：沿：沿：沿aaaa方向自旋分量测量值方向自旋分量测量值方向自旋分量测量值方向自旋分量测量值A(a)A(a)A(a)A(a)粒子粒子粒子粒子1111：沿：沿：沿：沿bbbb方向自旋分量测量值方向自旋分量测量值方向自旋分

22、量测量值方向自旋分量测量值B(b)B(b)B(b)B(b)与与BellBell不等式等效的不等式等效的CHSHCHSH不等式的相应研究情况不等式的相应研究情况20本讲稿第二十页，共三十四页2、量子力学之多世界解释创始人创始人 Hugh Everett III 1957 Hugh Everett III 1957年提出年提出Bryce DeWitt 1968Bryce DeWitt 1968年进一步描述年进一步描述主主要要观观点点：不不存存在在波波函函数数坍坍缩缩,所所有有的的可可能能性性都都实实现现于于不不同同的的世世界之中界之中,每一次测量将观测到一个世界的结果。每一次测量将观测到一个世界的

23、结果。DeWittDeWitt：宇宇宙宙的的任任何何一一个个遥遥远远的的角角落落的的任任何何一一次次量量子子跃跃迁迁，都都将把我们这里的世界分裂成自己的亿万个拷贝。将把我们这里的世界分裂成自己的亿万个拷贝。21本讲稿第二十一页，共三十四页费曼对多世界解释的比喻：假假如如我我在在拉拉斯斯维维加加斯斯赌赌博博，刚刚要要把把钱钱押押在在一一个个轮轮盘盘赌赌的的2222号号，这这时时我我旁旁边边的的一一个个女女孩孩看看到到了了她她认认识识的的一一个个人人，把把正正在在喝喝的的饮饮料料洒洒了了出出来来，因因此此我我停停住住了了，没没有有把把钱钱押押上上去去，这这时时轮轮盘盘赌赌停停在在了了2222号号上

24、上。可可以以看看出出，对对于于我我个个人人来来说说。整整个个宇宇宙宙的的运运行行将将取取决决于于一一些些小小小小的的光光子子打打到到她她的的视视网网膜膜这这个个事事件件。这这样样，整整个个宇宇宙宙会会因因为为每每一一个个原原子子事事件而分岔。件而分岔。22本讲稿第二十二页，共三十四页多世界中的“量子自杀”：泰格马克泰格马克 1998 1998年年23本讲稿第二十三页，共三十四页多世界解释的支持者们：霍金、费曼、盖尔曼、温伯格、霍金、费曼、盖尔曼、温伯格、DeutschDeutsch等等24本讲稿第二十四页，共三十四页1988年对72位物理学家的调查多多世世界界解解释释是是一一种种革革命命性性的

25、的看看法法，它它否否定定了了一一个个单单独独的的经经典典世世界界的的存存在在，而而认认为为实实在在是是一一种种包包含含有有多多世世界界的的实实在在，它它的演化是严格决定论的。的演化是严格决定论的。问问题题：为为什什么么我我们们只只能能感感受受到到确确定定的的经经典典世世界界，而而没没有有感感受到宏观物体的叠加态？受到宏观物体的叠加态？优选基问题优选基问题25本讲稿第二十五页，共三十四页退相干理论的提出H.D.Zeh 1970H.D.Zeh 1970年年 Decoherence Decoherence主主要要观观点点：当当系系统统与与测测量量仪仪器器和和外外界界发发生生相相互互作作用用时时，由由

26、于于大大量量粒粒子子之之间间的的纠纠缠缠作作用用，会会导导致致系系统统波波函函数数的的各各个个分分支支之之间间的的相相干干性性被被破破坏坏。因因而而我我们们在在实实际际中中只只能能感感知知到到彼彼此此之之间间已已无相干性的经典分支。无相干性的经典分支。例如：对薛定谔猫实验的解释。例如：对薛定谔猫实验的解释。26本讲稿第二十六页，共三十四页3、量子力学之修正主义1 1）动态坍缩理论：）动态坍缩理论：P.Pearle 1976P.Pearle 1976主主要要观观点点：波波函函数数坍坍缩缩不不是是瞬瞬时时的的,而而是是一一个个动动态态过过程程，将将时时间间演演化化过过程程与与测测量坍缩过程应统一起

27、来。量坍缩过程应统一起来。27本讲稿第二十七页，共三十四页2 2）量子引力：）量子引力：R.Penrose 1986 R.Penrose 1986从广从广义义相相对论对论的角度考的角度考虑虑量子引力量子引力的引入，的引入，导导致波函数的致波函数的动态动态坍坍缩缩。3 3）其它理论观点：）其它理论观点：GRWGRW理论（理论（Ghirardi,Rimini,WeberGhirardi,Rimini,Weber）1986 1986 动态坍缩动态坍缩CSLCSL模型（模型（Pearle,Ghirardi,RiminiPearle,Ghirardi,Rimini）1988 1988 薛定谔方程修正薛定

28、谔方程修正QSDQSD理论（理论（Gisin,PercivalGisin,Percival）1993 1993 量子态扩散理论量子态扩散理论28本讲稿第二十八页，共三十四页1997年与1999年的量子力学解释投票排名29本讲稿第二十九页，共三十四页量子力学量子力学过去过去 现在现在 未来未来n“正统”与“异端”的大PKn n你方唱罢我登场的角斗场n n问大地苍茫，谁主沉浮？30本讲稿第三十页，共三十四页三、量子力学往何处去？三、量子力学往何处去？“我我认认为为也也许许结结果果最最终终会会证证明明爱爱因因斯斯坦坦是是正正确确的的，因因为为不不应应认认为为量量子子力力学学目目前前的的形形式式是是最

29、最后后的的形形式式。关关于于现现在在的的量量子子力力学学，存存在在一一些些很很大大的的困困难难，它它是是到到现现在在为为止止人人们们能能够够给给出出的的最最好好的的理理论论，然然而而不不应应当当认认为为它它能能永永远远地地存在下去。存在下去。”狄拉克狄拉克 1975197531本讲稿第三十一页，共三十四页n n假如一个人不为量子论感到困惑，那他就是没有明白量子论。尼尔斯玻尔n n我想我可以放心地说，没有谁理解量子力学（I I think think I I can can savely savely say,say,nobody nobody understands understands quantum quantum mechanicsmechanics ）。R.P.费曼n n It is the strangest that existence shows a universal order!It is the strangest that existence shows a universal order!A.Einstein32本讲稿第三十二页，共三十四页n n 道可道，非常道；名可名，非常名。老子道德经n n 路曼曼其修远兮，吾将上下而求索。屈原离骚33本讲稿第三十三页，共三十四页34本讲稿第三十四页，共三十四页