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

2020-12-15 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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