為了理解一個複數,物理學家努力了100年,還是沒人知道它的內涵

2020-11-22 騰訊網

物理學數百年的發展史，就是創建一個個物理概念的全過程。那些偉大的自然哲學家們，每提出一個物理概念，總會為其賦予一個實實在在的物理對象或物理性質。例如牛頓提出的絕對空間、絕對時間、質量、萬有引力等，都對應著明確的物理內涵。

到了20世紀初，即便是愛因斯坦提出的革命性理論——相對論，其中的每一個概念也都對應著明確的物理內涵，例如時空曲率、能量動量張量、引力波等。

20世紀初期，物理學家發現了一系列反常的微觀現象，其中最著名的要數粒子的雙縫幹涉實驗了。實驗中，即便微觀粒子一個一個地通過雙縫，最終也會形成明暗相間的幹涉條紋，這就表明，微觀粒子具有波動性，發生了自我幹涉！

和微觀粒子聯繫在一起的到底是什麼波呢？粒子被「抹開」並以波的形式在空間中演化嗎？「抹開」的物質波怎麼又會在測量中表現出粒子性？物質波的本質是什麼？

沒有人能徹底弄明白這些問題，以至於費曼說，「沒有人懂量子力學！」薛丁格在搞不清楚物質波本質的情況下，對照經典力學的哈密頓形式，提出了薛丁格方程，首次描述了現代物理學的「靈魂」概念——波函數——的演化規律。

但薛丁格心中一直存在一個疑問，波函數到底是什麼，物理內涵是什麼。即便天才的玻恩於1926年提出了波函數的概率詮釋，薛丁格也表示拒絕接受，另一方面，玻恩也表示，「波函數的物理內涵不明。」

確實，對波函數的物理內涵的追求，不能僅僅停留在概率波的層面上，況且，波函數自身並不代表概率，它是一個複數，它的模（絕對值，或複數的「長度」）的平方，才代表著相應物理量的某個值的概率密度。

遺憾的是，一直到現在，波函數的物理內涵仍然被大自然所隱藏，這個神奇的複數函數，可以確定微觀粒子的狀態，可以計算出粒子各種狀態下的概率，可以被薛丁格方程、狄拉克方程所精確描述，但是，方程所描述的對象——波函數的本質是什麼，一直是個迷。

我們也許會自以為是地說，波函數不就是描述粒子狀態（或概率）的一種數學工具嗎，只要我們能夠用它準確地預言粒子的概率不就行了，何必去追求它的物理內涵？這樣的想法是錯誤的，為什麼？

要知道，量子力學的基本原理——態疊加原理表明，粒子的狀態可以由許多不同的狀態線性疊加而成，這裡疊加的對象，並不是不同狀態所具有的概率，而是不同狀態的波函數，並且只有這樣，粒子才能夠產生自我幹涉的波動效應！這意味著，粒子的概率只是波函數的表觀性質，唯有波函數（粒子的狀態）才能作為某種物理實在而存在！顯而易見，對於一個我們已經用符號寫在了黑板上的物理實在，我們不去進一步探求它的物理內涵，是不符合物理學的精神的。

至於現代物理學的「靈魂」概念——波函數，對應的物理實在到底是什麼，什麼是粒子的狀態，量子力學基本原理層面以下的圖像是什麼，最終揭曉答案的那一天，量子力學的基本框架將被重建，而100年來基礎物理學發展的瓶頸，也將被突破！

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