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姚毓成的博客

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“缺乏体悟”的理性思维现代创世论----姚毓成述评 (29)  

2016-01-21 19:39:28|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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###背景资料
 量子力学是描写微观物质的一个物理学理论,与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱,许多物理学理论和科学如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其它相关的学科都是以量子力学为基础所进行的。
量子力学是非常小的领域——亚原子粒子中的主要物理学理论  。该理论形成于20世纪早期,彻底改变了科学家对物质组成成分的观点。在量子世界,粒子并非是台球,而是嗡嗡跳跃的概率云,它们并不只存在一个位置,也不会从点A通过一条单一路径到达点B。根据量子理论,粒子的行为常常像波,用于描述粒子行为的“波函数”预测一个粒子可能的特性,诸如它的位置和速度,而非实际的特性 。物理学中有些怪异的想法,诸如纠缠和不确定性原理,就源于量子力学.
19世纪末,经典力学和经典电动力学在描述微观系统时的不足越来越明显。量子力学是在20世纪初由马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、埃尔温·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、恩里科·费米、保罗·狄拉克、阿尔伯特·爱因斯坦、康普顿等一大批物理学家共同创立的。通过量子力学的发展人们对物质的结构以及其相互作用的见解被革命化地改变。通过量子力学许多现象才得以真正地被解释,新的、无法直接想象出来的现象被预言,但是这些现象可以通过量子力学被精确地计算出来,而且后来也获得了非常精确的实验证明。除通过广义相对论描写的引力外,至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力学的框架内描写(量子场论)。
量子力学并没有支持自由意志,只是于微观世界物质具有概率波等存在不确定性,不过其依然具有稳定的客观规律,不以人的意志为转移,否认宿命论。第一,这种微观尺度上的随机性和通常意义下的宏观尺度之间仍然有着难以逾越的距离;第二,这种随机性是否不可约简难以证明,事物是由各自独立演化所组合的多样性整体,偶然性与必然性存在辩证关系。自然界是否真有随机性还是一个悬而未决的问题,对这个鸿沟起决定作用的就是普朗克常数,统计学中的许多随机事件的例子,严格说来实为决定性的。
在量子力学中,一个物理体系的状态由波函数表示,波函数的任意线性叠加仍然代表体系的一种可能状态。对应于代表该量的算符对其波函数的作用;波函数的模平方代表作为其变量的物理量出现的几率密度。
量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。
1900年,普朗克提出辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的,能量子的大小同辐射频率成正比,比例常数称为普朗克常数,从而得出普朗克公式,正确地给出了黑体辐射能量分布。
1905年,爱因斯坦引进光量子(光子)的概念,并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系,成功地解释了光电效应。其后,他又提出固体的振动能量也是量子化的,从而解释了低温下固体比热问题。
1913年,玻尔在卢瑟福原有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论,原子中的电子只能在分立的轨道上运动,在轨道上运动时候电子既不吸收能量,也不放出能量。原子具有确定的能量,它所处的这种状态叫“定态”,而且原子只有从一个
普朗克定态到另一个定态,才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成功之处,对于进一步解释实验现象还有许多困难。
在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后,为了解释一些经典理论无法解释的现象,法国物理学家德布罗意于1923年提出了物质波这一概念。认为一切微观粒子均伴随着一个波,这就是所谓的德布罗意波。
德布罗意的物质波方程:(无法显示)
由于微观粒子具有波粒二象性,微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律,描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。当粒子的大小由微观过渡到宏观时,它所遵循的规律也由量子力学过渡到经典力学。
1925年,海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识,抛弃了不可观察的轨道概念,并从可观察的辐射频率及其强度出发,反映这一认识,找到了微观体系的运动方程,从而建立起波动力学,其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性;狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论,给出量子力学简洁、完善的数学表达形式。
当微观粒子处于某一状态时,它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值,而具有一系列可能值,每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时,力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。这就是1927年,海森伯得出的测不准关系,同时玻尔提出了并协原理,对量子力学给出了进一步的阐释。
量子力学和狭义相对论的结合产生了相对论量子力学。经狄拉克、海森伯(又称海森堡,下同)和泡利等人的工作发展了量子电动力学。20世纪30年代以后形成了描述各种粒子场的量子化理论——量子场论,它构成了描述基本粒子现象的理论基础。
海森堡还提出了测不准原理,原理的公式表达如下:(无法显示)  。
###我们的时代需要大师,由二个问题需要大师解决:(1)星际尺度的广义相对论和原子尺度的量子力学的统一场问题。全世界的科学家都说,我们无法接受同时生活在二个不相干的世界里。“宇宙统一场是当代的万物之理”。(2)《寂寞的春天》、《我们共同的未来》、《增长的极限》中提出的人类如何走出现代化的陷阱,能够诗意地栖居在我们的地球家园。 
(31)物理学理论中的因果性与非决定论
物理科学的新近发展已经揭示了经典物理学理论作为一个普遍合适的说明系统的局限性。这些发展也要求我们重新审视在历史上得到尊敬的许多科学研究原理的有效性。一个已受到挑战的生气勃勃的观点是:自然事件是以确定的因果秩序发生的,而发现这种秩序正是科学的任务。通常认为,物理学目前的研究结果已不再保证关于这种秩序的假定,必须放弃物理科学拥护严格决定论理论的理想,因为这一理想是内在地不能实现的。我们现在必须处理的正是由这些主张产生的问题。
这个由于物理学的发展而变得尖锐的问题,不是有关“原因”这个词在它可能具有的种种用法中的意义的正确分析的传统问题。譬如说,在日常的实际事务中得到证实的因果关系是否还可以进一步分析,它们归根结底是否暗示了某种必然性或同一性,或者,它们是否可以按照有规则的、虽是偶然的事件序列来表达,这些问题都与量子力学激起的争论无关。这个当前的问题是由在一个综合性理论的物理探究的一个片断中占统治地位的一个见解引起的,这个综合性的理论似乎不同于经典物理学理论,因为它具有一个“非因果的”或“非决定论的”结构。由此提出的首要问题是:经典物理学理论是决定论的,而当前的亚原子理论则不是,这当中的确切含义究竟是什么?我们要首先关注的正是这个问题。然而,由于物理学理论中的新近变革,许多不太专门化但更含糊的问题也被助长起来,这些问题关系到所谓的“因果性原则”的意义和认知地位,关系到所谓的“纯机遇”事件的发生,关系到新近的理论变革对合适的自然观和科学目的观的意义;因此对这些问题我们也要略加关注。
一、经典力学的决定论结构
经典力学是决定论理论的公认范式,目前对决定论的讨论,就其特征和主要语言而论,主要是受惠于力学。因此有待于澄清究竟是经典力学的什么特点把它表征为一个决定论的理论。
从很一般的观点来看,力学是一套方程,这套方程表述物体的某些特性对其他物理性质的依赖性。在它们的牛顿形式中,运动方程断言,属于一个特定的物理系统的每个质点的动量的时间变化率依赖于一组确定的其他因素。虽然“原因”这个词并末出现在这些方程中,但有时仍然说它们表示了“因果关系”,这不过是因为它们断言了一个量(如动量)的时间变化率对其他的量的函数依赖性。然而,只在这个基础上把力学表征为“因果的”,仍然没有恰当地澄清量子力学据说是非因果的这一含义,因为按照这一标准, 量子力学方程也表述了因果关系。
当相当一般性地来阐述运动方程时,正如我们已看到的,它们含有一个没有指定的函数,即力函数。也正如我们已看到的,如果运动方程要充当分析具体的物理问题的手段,就必须给力函数指派一个特定的结构,也必须给可能出现在力函数中的任意常数赋予确定的值。而且,运动方程是二阶线性微分方程,为了得到一个特定的问题的解,必须对这些方程积分。因此,对每个要被采用的方程,最终会出现两个积分常数;所考虑的质点在某个指定时刻的位置和动量的成分,这里位置和速度被假定是可以相对于某个合适的参考系来指定的。
据说一个质点在一特定时刻的位置和动量构成它在那个时刻的“力学状态”,定义力学状态和变量则被称为“状态变量”。由于每个质量有三个位置分量和三个速度分量,这样就有6个参数或坐标来确定一个质一既定时刻的状态。因此,由n个质点构成的系统在任何时刻的力学状态,当相应的6n个状态变量在那个时刻的值被指定时,是已知的。现在我们可以按照这个名目来阐述经典力学的一个重要特点。给定一个物理系统的力函数,这个系统在任何时刻的力学状态就由在某个任意的初始时刻的力学状态完全而且唯一地决定。正是运动方程的这一特点把经典力学划分为决定论理论。
由于系统的力学状态的概念对于阐明经典力学是决定论的理论的含义是至关紧要的,因此值得对它进行进一步的讨论。假设s是一个物体系统,该系统不受一切其他系统的影响。进一步假设s的成员具有某些性质(如质量、速度和在空间中的分布等等),这些性质属于一个确定的性质类K,它们的量值由一组数值变量的值V(1)、V(2)、V(3)等等来表达。S的成员可以具有那些不属于K的性质,但是我们不予以考虑。我们也不关心K是否包括“可观察”性质以及“理论”性质,或者K是否从其他类的性质中得到界定;我们只是假定K适合以某种方式来加以指定。现在让我们商定:在任何既定时刻S的成员所具有的K性质的数值定义了S在那一时刻的状态。接着我们假定,在时刻t(0),S处于状态(v1v2v3···),S的状态随着时间而变化,而且在t(1),该系统处于状态(v1v2v3···)。现在设想,S被迫退入它在时刻t(0),所具有的状态,它又主动改变它的状态,在一时间间隔(t1-t0)后它又处于它在t1时所具有的状态。最后让我们假定,S总是以指定的方式表现其行为,对每一个初始时刻和每一个时间间隔。由于S在任何既定时刻的状态唯一地决定它在任何其他时刻的状态,我们将说S相对于K中的性质是一个决定论系统。然而,我们不是在假定,当S在两个不同时刻处于同一状态时,S的成员在那些时刻也具有不属于K的性质的同等的值。我们是在定义,相对于一个规定的性质类K来说,S在什么意义上是一个决定论的系统。
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