當代量子力學:最好少提「波粒二象性」

2020-12-05 量子認知

在上篇文章裡,我們討論到,量子就是量子,不是所想像的是「波」是「粒」那樣簡單,波粒二象性並不代表量子的全部。這個觀點,確實對於經典量子力學來講,是一個難以接受的觀點。所以,上篇文章得到一些反對的意見。為此,寫這篇文章,算是對於是上篇文章意見與評論的統一答覆,作為上一篇文章的續篇。

人們會說,波粒二象性代表了量子力學的最為基本的屬性,上述評價「波粒二象性」,這不是太過於冒天下之大不韙,離經叛道了嗎?

首先,應該感謝文章讀者提出不同的反對意見,科學需要自由地發表意見、爭辯討論才會尋求出真諦。無論是「專科」也好,還是「民科」的也好。老實說,量子力學對筆者來說是「副業」與「民科」,筆者的專業是材料力學、固體力學、斷裂力學、數學力學等。退休了,為了養腦防老,又在鑽研哲學、腦神經學、心理學,甚至跟弗洛伊德的「心理動力學」都幹上了,好像這一輩子跟力學有緣。

在解釋文章的觀點之前,首先,我推薦目前評價最高的、真正關於當代量子力學的三本權威書籍:

第1本書:著名物理學家、美國史丹福大學教授,美國國家科學院院士,美國藝術與科學院院士李奧納特·蘇士侃(Leonard Susskind)在美國史丹福大學所教的量子力學講課教材所編寫的一本書:《量子力學:最基礎的理論》(Quantum Mechanics – The Theoretical Minimum)。 這本書以一種完全不同於任何量子力學教材模式、以一種全新的視角來講解量子力學。

《自然》科學雜誌評價道:「有說服力的概述 - 以及一致性解釋……量子力學究竟是怎麼樣奇怪的 - 可能正是我們所需要的」(」persuasive overview – and hinsistence on explaining … exactly what it is that is strange about quantum mechanics – may be just what is needed」。2014年出版,以後每年再版。

第2本書:著名量子計算機公司D-Wave創辦人之一、美籍俄羅斯量子力學家亞歷山大·扎戈斯金(Alexandre Zagoskin)所著一書:《量子力學:一個完整的介紹》(Quantum Mechanics - A Complete Introduction)。 這本書簡潔明了而又全面地講解當代量子力學及其應用的動態、水平和方向,面對非物理專業的。特別適合於自學學習。2015年出版。

第3本書:著名量子力學評論家、《自然》科學雜誌編輯菲利普·鮑爾(Philip Ball)所著一書:《超越怪異:為什麼你認為你所知道的關於量子物理的一切都是不同的》(Beyond Weird: Why Everything You Thought You Knew About Quantum Physics is Different )。《自然》科學雜誌評價是,這本書「清晰而又深入研究關於量子世界定律的認知,以及如何思考它們可能真正意義的內容」(clear and deeply researched account of what’s known about the quantum laws of nature, and how to think about what they might really mean)。2018年芝加哥大學出版社出版。

這三本書基於當代量子力學研究水平、動態與方向,講解清晰,簡潔明了,不故弄玄虛,特別適合於非物理專業自學之用,同時也適合於物理專業的,或量子力學專業的,關於當代量子力學思想參考之用。

有人可能會問,推薦這3本書,跟本文有何關係?在上篇文章中,關於「量子就是量子「,波粒二象性不是量子的全部,波粒二象性表示量子的全部不妥,波粒二象性容易產生誤導,等等觀點,應該說,不是筆者提出來的,是第2本書明確提出的,第3本書也討論了類似的觀點,第1本書非常含蓄地表示類似觀點。

舉例來講,在第1本書中,「波粒二象性」(particle-wave duality)這個詞,在如此權威的量子力學教材書中,全書竟然就只是捎帶提到過一次。全書364頁,僅在第236頁簡單地、好似不得不提到了一次。第3本書在其書中多次地、高度地讚揚、評價了第1本書。

同樣地,在第2本書中,「波粒二象性」(particle-wave duality)這個詞,全書407頁,僅在第87頁專門地評價了一番才提到,如此而已。

對國內無論是量子力學教師、還是學生、還是有關從業人員,一定會感到相當地不可思議:這是大名鼎鼎的美國史丹福大學的量子力學教材,及權威專家寫的書嗎?

如果說,這些教材是由非專業的權威寫的,對「波粒二象性」如此看待,這還可以理解,因為在美國,由權威認知學家、生命科學家等發表量子力學的有關論點的文章、著作等很多很多。

筆者為此也曾感到很奇怪,為什麼美國當今量子力學的權威教材與著作,對「波粒二象性」的經典概念竟如此輕薄,怎麼會是這樣呢?而在國內,傳統的「波粒二象性」概念如雷貫耳,量子言必稱「波粒」。

有人可能會問,書裡是如何具體地評價「波粒二象性」的呢?在這裡,我們將書中僅有的有關專門評價「波粒二象性」 的原文及其翻譯特擇錄如下。

在第2本量子力學教材書籍中,唯一地、正式地提到與評價「波粒二象性」的一段話是這麼寫的。在談到波的幹涉與疊加的時候,作者這樣寫到:

「For a classical wave this is not strange at all: these interference patters were known and studied extensively in the 19th century. But to learn that this behavior may be a general feature of Nature and can show up, for example, in particles (it was first observed in electron), was quite shocking. It was then christened the particle-wave duality. This term is being used even now from time to time, though I find quite unnecessary and rather misleading. It is somewhat like saying that an elephant demonstrate a 『snake-pillar duality』. Quantum systems are what they are: quantum system, and trying to pin to them purely classical labels is not very productive (Figure 3.2)」

翻譯成中文就是:

「對於經典波來說,這並不奇怪:這些幹涉圖景在19世紀就被廣泛地認知與研究。 但要了解這種行為可能是大自然的一般特徵,並且可能出現在例如粒子中(它首先在電子中觀察到),這是非常令人震驚的。然後它被宗教式地取名為波粒二象性。這個術語現在還不時地被使用,雖然我發現這是非常地不必要的,而且具有誤導性。這有點像說大象表現出「蛇柱二象性」。量子系統就是量子系統,試圖將它們固定在純粹的經典標籤上並不是很有效率(圖3.2)」

(註解一下:上面提到的圖3.2即是筆者上一篇文章中所引用的盲人摸象的圖片,同時專門在圖釋中註明了是引用了他這一著作的圖片。)

近二、三十年來,量子科學,同其它科學技術及其人類社會生活一樣,也在不斷地發生極大的變化,永遠不會停留在一個水平上。今天的量子力學已非100年前的古典量子力學。量子概念及其科學,無論對於「專科」還是「民科」,都是欣欣向上的新生事物。如果想要學習掌握量子力學,就得要關注其動態、水平和方向。我很滿意現在這樣用量子力學伴隨養老:不想墨守成規,活到老、學到老。

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