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 量子力学的波粒二象性简介（兼论波粒二象性能不能作为辩证法对立统一规律的证据） |
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Truman
性别: 
加入时间: 2010/12/14
文章: 416
经验值: 15459
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作者：Truman 在 驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
我看到那个潜水多年不懂量子力学还要在那胡说，说我矛盾。所以我想对波粒二象性做个简单科普。最后在这个基础上说说波粒二象性能不能作为辩证法对立统一规律的证据。
当然我也不是物理牛人，只是以前学过量子力学，多少现在还记得点，当然会有很多错误。
下面是潜水多年的帖子
http://www.hjclub.info/bbs/viewtopic.php?p=2868635
http://www.hjclub.info/bbs/viewtopic.php?p=2868634
不过我还要再申明一下，通过看科普来了解物理比如量子力学，电动力学，狭义广义相对论等没可能。只能让你们有个大致的概念，如果你只是看科普学物理的水平还要和物理科班出身的人讨论，人家和你讨论，是在教你东西，希望你不要那样大言不惭地对对方攻击，不恭不敬的。人家没有义务教你东西。
下面将讨论为什么叫波粒二象性，在讨论前我先要说明一下，量子态不是下面三者任何之一：
（1）波， （2）粒子， （3）既是波又是粒子
这个很重要。
要讨论量子力学的波粒二象性，首先要知道波和粒子的概念。
先说说经典物理的波和粒子概念。
经典物理的波和粒子有什么属性呢？
经典物理的波有下面几个主要属性：
（1）振幅
（2）频率
（3）相位
（4）波长
从这几个属性还可以推出波的干射，衍射，传播速度等。
量子力学里的波是什么波呢？量子力学里的波通常被称为概率波。
这种波具有什么属性呢？与经典物理里的波有什么相同点和不同点？
概率波具有上面经典物理波所有的属性，除了对待振幅的不同。可以简单地认为经典力学里对波的振幅大小没有限制，可以任意大。
量子力学里的概率波的振幅则是被归一化的，最大被允许的值只能是1。概率波振幅的模的平方就是概率。这个振幅也被称为概率幅。其实由于归一化，波函数本身就可以称为概率幅。这个就是量子态或者波函数被称为概率波的来源。
现在从量子力学原理的角度讨论量子力学的概率波是怎么来的。
量子力学里面用波函数来描述整个系统的物理性质。波函数是希尔波特空间的矢量。通常要得到一个物理性质，或者一个物理量，就需要用算符对波函数进行操作，每个算符对应一个力学量。在做实验的时候，对量子系统的一个物理量的操作就是一个算符对波函数的操作，比如投影什么的。这个投影是在希尔伯特空间里面取定的一个坐标架进行投影，对应的物理现象就是波函数的坍缩。物理系统的量子状态有处于多个力学量本征态叠加的状态而坍缩或者简单说投影到其中的一个本征态上。然后取这个本证态的模的绝对值得到一个实数，这个实数就被我们理解为概率，这个概率解释最早是波恩给出的。
比如光或者电子等粒子通过双缝的干涉现象。
一个光源或者电子源制备出大量处于同样量子态的光子或者电子。一个光源制备出来的光子或电子处于一个量子态，光子或电子在经过双缝的时候由于波函数坍缩而处于下面的叠加状态
bo1+bo2
假定bo1对应缝1的量子态，bo2对应缝2的量子态。给这个叠加态一个名字假如叫bo
那么有
bo=bo1+bo2
我们对bo这个量子态取模，得到
|bo|^2=bobo*
这里*表述复共轭。则上面的波函数可以表为下面的形式
|bo|^2=|bo1+bo2|^2=|bo1|^2+bo1*bo2+bo1bo2*+|bo2|^2
|bo1|^2和|bo2|^2都是实的常系数。bo1*bo2+bo1bo2*就体现出波的干涉效应。
继续讨论在通过双缝后光子或电子撞到屏幕上的情况。
光子或者电子撞到屏幕上也是一个波函数坍缩的过程，就是上面bo的坍缩过程。坍缩以后光子或者电子就处于空间一点，也就是位置本征态上。由于上面体现出的干涉效应，光子或者电子就以概率的形式分布在屏幕上。只要时间足够长，足够多的光子或者电子撞到屏幕上，就会导致在某些地方亮点，某些地方暗点，也就是由于干涉效应导致它们在屏幕上有明暗相间的分布。
我们在观测双缝干涉现象时，也就是做实验的时候，单个光子在屏幕上表现出粒子性，一个亮点，但是对大量处于同样量子态的粒子（都处于bo这个量子态）则表现出波动性，也就是由于概率导致的波动性。
这里需要说明的是，任何一个电子或者光子都处于bo量子态，而不是同时处于bo1和bo2两个量子态，因为bo1和bo2两个量子态叠加后的量子态bo是一个完全崭新的量子态。这是什么概念呢，就是任何一个电子或者光子都是同时通过两个缝的，也就是某个时刻每个电子或者光子能同时出现在两个缝隙处。这个时候那个潜水多年估计又要说我自相矛盾了。不好意思，量子力学就是这样违背我们的常识。
由于我们对一个粒子的波函数测量就是一个坍缩过程，在这个坍缩过程之后，它已经不处于原来的叠加态，因此不能再对这个粒子的波函数进行观测，或者说它已经不具有我们想观测的量子态了。因此为了能观测到概率波，在做量子力学实验的时候都是制备大量处于相同量子态的粒子，对它们进行观测以便得到干涉效应，或者波动效应。
以上的描述就是实验上观测到的粒子性和波动性，我也不知道你们懂了没有，我也只有解释说明到这个程度的能力。其实我也相信很多人都还是不理解的。我当年学量子力学的时候也是花了大量的时间来理解这些东西，其实数学的东西还比较简单，无非就是涉及到希尔伯特空间，算符以及其它一些东西的代数。但背后的物理的东西则太复杂了。
下面我再来说说经典物理里的粒子性。
经典物理的粒子具有什么属性呢？
第一，当然首先是离散性，
第二，具有确定的位置（坐标），
第三，在具有确定的位置的同时还具有确定的动量。
在经典物理里面要完全确定一个粒子或者一个系统的物理量或者性质，必须同时知道它的位置（坐标）和动量。这个就是分析力学里常用到的东西，分析力学里面还把这个扩展为广义坐标和广义动量。上面这个几个特性导致经典的粒子运动具有轨道或轨迹的特性。
量子力学里的粒子具有什么属性呢？
只有一条，那就是离散性。
在量子力学里面，根据海森堡不确定原理（这个其实也是波函数性质的体现），我们无法在确定一个粒子的位置的同时确定它的动量。这个导致了在量子力学里面无法获得粒子的运动轨迹。
从上面的讨论可以看出经典物理里的波和粒子与量子力学里的波和粒子的同与不同了吧。
这也就是为什么我说的量子力学的波函数不是下面三者（再重复一遍）任何一者的说法的根据：
（1）波，（2）粒子，（3）既是波又是粒子。
芦笛在说明波粒二象性不能作为辩证法对立统一规律的证据时的论证过程是这样的，
芦笛的论据是一个量子粒子不可能同时处于波和粒子这两种状态，既然波和粒子这两个对立的东西不能同时存在当然就不能作为辩证法对立统一规律的证据了。
这个论证过程其实是没有问题的，但他的论证的论据有问题。因为他以为量子力学里的波还是经典物理里面的波，粒子属性还是经典粒子的属性。他不知道在量子力学里面，波和粒子的概念和经典物理的不一样，不是完全一致的。特别是那个粒子性，更是差别巨大。
所以芦笛没能证明波粒二象性不能作为辩证法对立统一规律的证据。
那波粒二象性能不能作为辩证法对立统一规律的证据呢？
这不是很明显的吗，既然量子力学里能完全描述粒子物理性质的的波函数不是下面三者任何之一。
（1）波，（2）粒子，（3）既是波又是粒子。
那当然就不存在波和粒子的对立性在量子力学里的出现了，就更别说什么统一了。
作者：Truman 在 驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
上一次由Truman于2015-4-29 周三, 下午9:45修改，总共修改了4次 |
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