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《上帝掷骰子么?-量子物理史话》
写得生动活泼,妙趣横生,深入浅出。
http://book.sina.com.cn/nzt/liangzishihua/index.shtml
下面是我对书中提到的一些问题的想法:
首先,电子是粒子还是波的问题。按照它的表现(或者说被观测的结果),显然都是。但是两种说法是不可调和的。例如在双缝干涉实验里,粒子说认为,一个电子 必然只穿过了一条缝。而波动说的哥本哈根解释却认为,电子同时穿过了两条缝,只是在落在荧光屏的时候,波函数发生了坍塌,于是只形成了一个点。粒子说无法 解释爱因斯坦提出的电子分裂之后各赴天涯,却有心灵感应的问题;而波动说的死穴在于薛定谔的猫,量子永生等系列问题,尤其是如何定义“观测”的问题。(详 情请看书)
好,现在让我们来定义观测。我认为,试图改变物体原有状态的行为就可以定义为观测。也就是说,在物体原有状态被试图改变的时候,物体会表现出它的性质。没 有这种相对的作用(观测),那去谈物体的性质是没有意义的,你甚至可以认为物体不存在。当然,自然界中绝对独立的物体是不存在的,总会与别的物体相互作 用,在这种相互作用的过程中,物体就会按照一定的规律改变它的状态。
我们再来看什么是电子。电子只是能量,或者说,是能量的一种存在形式,它以量子的形式存在,就是说,它是一份能量。因而电子具有粒子的特性,例如它不可分 解为两个半份能量(至少在50年前我们可以这样认为),所以,它只能通过一条缝,它只能落在一个点上。一个萝卜一个坑,大萝卜无非也是一个大坑而已。
回到我们著名的双缝干涉实验。双缝对电子而言,其实也是一种观测,在这个时候,电子必须改变它的状态,因为它不能分解成两(半)份能量,它只能选择其中一 条缝(以一定的概率)。到显示屏的时候,同样的,电子被观测(无论这时候有没有人在看),于是电子落在显示屏上,形成一个亮点。其位置?对不起,我不能预 言,我只知道它落在某个点的概率是多少。显而易见,上帝在这一刻掷了骰子。虽然我们不知道他老人家每一次会掷出几点,但幸运的是,我们知道,点数在1~6 之间,而且扔多了,这几个点数出现的次数基本相等。总的来说,自然还是可预测的,除了姚明能不能抢到下个篮板。
再来解释爱因斯坦提出的问题。电子在某处分裂成A、B两个,劳燕分飞。在天际尽头的甲,看到A是左旋的,根据守恒定律,他知道了B一定是右旋的。也就是 说,如果同时乙同学在天际另一头看到的B一定是右旋的。但是根据哥本哈根解释,在A、B被观测之前,它们的状态是不确定的,而在被观测的刹那发生了波函数 坍塌,A选择了左旋的同时B选择了右旋。但是由于没有信息可以高于光速传播,所以被观测的刹那它们如此心有灵犀是不可能的。
其实这里就是观测的定义问题,按照我们上面所说的定义,似乎容易说得通。首先电子是不是可以分裂我不知道。那假设两个电子吧,道理是一样的。当它们分开的 时候,其实状态发生了改变,我们可以将其定义为观测。在观测的时候,电子在遵守规律(能量守恒、波函数等)的前提下发生了状态的改变,它们仍以波的形式存 在,但是方向遵守守恒定律。它们的改变后的状态,在那一刹那已经确定,而不是等有人去看的时候才作出的选择。
能量是一种波,或者,准确的说,波是能量的存在形式(其实从来都没有人告诉我波到底是什么,现在我就这样定义一下吧)。基本粒子是一种能量,所以基本粒子 也以波的形式存在,遵守波函数的规律。以基本粒子构成的一块石头呢?当然也以波的形式存在,只是石头里面的基本粒子复杂的相互作用,所以体现的主要是质量 而不是能量,但是仍然有不可察觉的,可以忽略的德布罗意波。信不信,如果你能将这些相互作用消除,石头就可以绕过圆盘,形成一个炫目的泊松亮斑。