3條哥本哈根學派關於量子力學的論述

2020-12-03 初中化學大師

以玻爾為代表的量子力學的哥本哈根學派起源於1921年玻爾在丹麥哥本哈根創建理論物理研究所,該研究所成立後迅速成為當時國際上公認的物理研究中心,逐漸形成了以玻爾為核心、以哥本哈根的名字命名的學派。哥本哈根派對量子力學的創立和發展做出了傑出貢獻,代表人物有玻爾、海森堡、泡利和玻恩等。海森堡的「測不準關係」和玻爾的「互補原理」構成了哥本哈根學派詮釋量子力學的兩大主要支柱。1927年後,逐漸為大多數物理學家所接受,因此被人們稱為量子力學的「正統」解釋。

該學派的主要觀點由以下三部分構成:

一、波函數的機率詮釋:在微觀領域裡,力學的因果律和決定論都遭到了破壞。在相同的實驗條件下,可以發生各種不可預測個體量子過程,每次測量都會由於觀測儀器與客體之間不可控制的相互作用而引進新的實驗條件,使通常情況下的因果鏈被打斷。所以在量子力學中,人們必須放棄力學意義上的因果律和決定論,而把機率性看成是本質的。

二、測不準關係:1927年,海森堡發表了論文《量子論中運動學和動力學的可觀測內容》,並提出了著名的「測不準原理」。為了說明他的測不準原理,海森堡設計了一個理想實驗:用一個γ射線顯微鏡觀測一個電子。由於顯微鏡的解析度受光波波長的限制,為了精確確定電子的位置,應該使用波長短的光,而波長越短,光子的動量越大,根據康普頓散射,引起電子動量的變化就越大。因此電子的位置愈準確,就愈難確定電子的動量。反之亦然。

海森堡認為,微觀粒子既不是經典的粒子,也不是經典的波;當人們用宏觀儀器觀測微觀粒子時,就會發生觀測儀器對微觀粒子行為的幹擾,使人們無法準確掌握微觀粒子的原來面貌;而這種幹擾是無法控制和避免的,同樣,能量和時間這種正則共軛物理量也遵從測不準關係,海森堡認為「這種不確定性,正是量子力學中出現統計關係的根本原因」。

三、互補原理:海森堡認為,測不準關係的存在,表明了位置和動量、時間和能量這些經典概念在微觀領域的適用界限;玻爾則認為這一原理並不表明粒子語言和波動語言的不適用性,只是表明同時應用它們既是不可能的,但又必須同等應用它們才能對物理現象提供完備的描述。也就是說,微觀粒子具有波粒二相性,正是用經典語言描述微觀客體的結果,但經典理論中波和粒子這兩種圖像卻不能同時存在,它們是相互排斥的,並且,無論是那一種圖像都不能向我們提供微觀客體的完整描述;只有把這兩種圖像結合起來、相互補充,才能提供微觀客體的完整描述。這就是玻爾的互補原理。這種互補概念適用於整個物理學,甚至成為一種哲學原理。

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  • 丹麥物理學家,哥本哈根學派的創始人
    1885年10月7日生於哥本哈根,1903年入哥本哈根大學數學和自然科學系,主修物理學。1907年以有關水的表面張力的論文獲得丹麥皇家科學文學院的金質獎章,並先後於1909年和1911年分別以關於金屬電子論的論文獲得哥本哈根大學的科學碩士和哲學博士學位。
  • 哥本哈根學派的主要觀點有哪些?
    對於量子力學的詮釋大多數教材堅持的是哥本哈根學派的正統解釋,這種量子力學詮釋以玻恩機率假說為基礎,核心是玻爾的互補原理,最為本質的特徵是海森堡的不確定關係,但是這種詮釋同樣存在著某些爭議,即使是哥本哈根學派的兩位代表人物海森堡和玻爾之間也存在著不同的見解,只是這樣的差別並非原則性的。
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    二、玻恩學派與玻爾學派有什麼不同?如果對玻恩學派以及玻爾學派有些了解,就不難認識到:量子力學不可能誕生於玻爾的學派,而只能誕生在玻恩的學派。常常會有來訪的年輕物理學家就自己對某個量子論的複雜問題所進行的最新計算發表宏論。每個聽的人對論證都會清清楚楚地懂得,唯獨玻爾不然。於是每個人都來給玻爾解釋他沒領會的要點……」[20] 伽莫夫展示了玻爾在哥本哈根的學術活動中被動、跟不上節奏的一面,很難將其設想為量子力學建設過程中的統帥和領袖。
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    上一期文章中我詳細介紹了愛因斯坦對量子力學的認知,以及愛因斯坦與「波爾等哥本哈根學派」觀點的差別,我們可以知道:其實愛因斯坦認為量子力學還「不完備」,並非全盤否定量子力學。愛因斯坦學派認為微觀粒子觀察前是確定的,觀察時是確定的,觀察後也是確定的,哥本哈根學派認為微觀粒子觀察前是不確定,觀察時確定,觀察後也是不確定,是觀察行為本身讓微觀粒子確定。愛因斯坦這一派認為:我們的世界無論是微觀還是宏觀,都應該是確定的,只是我們的理論還不夠完善,才造成了微觀世界看起來不確定而已,當理論完備後,微觀世界也會變得確定。
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  • 關於量子力學的基本原理
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  • 量子力學是完備的嗎?――談「EPR悖論」
    我們可能會推測,這個實驗裡存在一種可以計算的概率(50/50),即在任何特定的時間裡,相應的量子躍遷要麼出現,要麼不會出現;貓要麼死亡,要麼生存。實驗者所要做的一切,就是打開箱子,去發現這個可憐的實驗品的命運。  那麼,在這個箱子裡的貓究竟是死的還是活的呢?按照以玻爾為代表的哥本哈根學派的解釋,放射性原子的衰變可以用波函數來描述。
  • 能和愛因斯坦論戰的哥本哈根學派,為何能引領丹麥科技崛起?
    20世紀20年代開始,哥本哈根大學出現了幾個世界頂尖的物理學家,哥本哈根學派崛起,並逐漸發展成為世界物理學最強大的學術流派,最終帶領丹麥在往後的數十年裡,成為世界科技中心。究竟是怎樣的哥本哈根大學和哥本哈根學派,能產生這樣的影響力?
  • 量子力學史上的大論戰
    根據論戰內容和時間可將這場大論戰劃分為四個階段:第一階段,1926年薛丁格應玻爾邀請到哥本哈根做《波動力學的基礎》的演講並由此爆發第一次論戰;第二階段,1927年第五屆索爾維會議上關於「新量子理論的意思」的第二次論戰;第三階段,1928年第六屆索爾維會議上關於不確定原理的第三次論戰;第四階段,1935年EPR論文發表,引起了關於量子力學對物理實在描述的完備性的第四次論戰
  • 它和量子力學有什麼關係?
    量子力學為什麼會有這麼多「梗」?一直以來都有民間都有一種說法:「遇事不決,量子力學」,量子力學其實是讓一般人誤解最深的一個科學理論。關於量子力學其實還有很多「梗」,比如:薛丁格的貓,上帝不擲骰子等等。那麼問題就來了,為什麼關於量子力學會有這麼多的「梗」?比如:薛丁格的貓?今天,我們就來詳細的說一說。
  • 量子力學之華山論劍
    我打算結合學習過程,陸續寫一些關於量子力學的文章,可能不如其它科普文章有趣,但儘量做到更加深入,描述清晰。量子力學的誕生經歷了一個漫長的過程,不像物理學歷史上大多數的理論那樣,由某位大神取得重大突破而宣告理論的誕生,它由許多天才科學家逐步提出和完善,其中的靈魂人物就是玻爾。
  • 【物理學史】量子力學史上的大論戰
    根據論戰內容和時間可將這場大論戰劃分為四個階段:第一階段,1926年薛丁格應玻爾邀請到哥本哈根做《波動力學的基礎》的演講並由此爆發第一次論戰;第二階段,1927年第五屆索爾維會議上關於「新量子理論的意思」的第二次論戰;第三階段,1928年第六屆索爾維會議上關於不確定原理的第三次論戰;第四階段,1935年EPR論文發表,引起了關於量子力學對物理實在描述的完備性的第四次論戰。
  • 愛因斯坦反對量子力學是誤解
    dinger)在20世紀20年代建立的量子理論最常用的表述,也正是基於愛因斯坦關于波動物理的思考。愛因斯坦並不反對量子力學,他也不反對隨機性。在1916年他證明,當原子發射光子的時候,發射時間和角度是隨機的。「這與愛因斯坦反對隨機性的公眾形象截然相反。」赫爾辛基大學的哲學家揚·馮·普拉託(Jan von Plato)說。
  • 量子力學最難理解的地方:上帝到底會不會擲骰子?愛因斯坦這樣說
    大家好,歡迎收看量子科普第97期,我是常常,今天和大家聊一聊關於量子力學中一個經久不衰的話題:上帝到底會不會擲骰子?但實際上,粒子並不存在於任何位置,只有人類進行觀測時,粒子才會存在於某處,粒子仿佛就像為了人類觀察而存在的,這可以參考量子力學中著名的思想實驗:薛丁格的貓,在盒子裡這隻又死又活的顯然違背了正常的思維邏輯,但是這種隨機性、這種疊加態卻又廣泛的存在於微觀量子世界之中,量子力學的哥本哈根學派認為:觀察到的隨機性是量子力學的根本性質,微觀量子世界中的粒子或系統只能依靠