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「量子力學」如何天翻地覆的改變我們對世界的理解?(三) ---- 泛科學
2023/11/03 09:53:28瀏覽80|回應0|推薦0

「 2018/04/12 文 / Brian

玻爾和海森堡都同意物理研究的目的是促進我們對於觀察到的自然現象的了解。那究竟甚麼是「了解」世界呢?海森堡依然受到馬赫的影響,他認為:「了解」代表找到一個數學方法,而只要按照這些方法就可以成功的預測實驗結果。但對玻爾而言,「了解」有更深刻的意義:它代表對於觀察到的現象的一種「描述」 舉個例子,若有人問:電子是甚麼?我們應該回答電子甚麼也不是,更精確地說,除了被測量的時候,電子實際上並不存在;沒被測量時,電子只是一堆潛在可能性的疊加(我們對存在的定義就是能夠和你產生相互作用「像是暗物質是否存在」,但要想感受到作用就得做測量)。在測量前,電子有可能在甲處也有可能在乙處,而當真的進行了測量之後,電子只可能在甲處或在乙處被發現。玻爾否定本體論的闡述,在他看來,既然兩種互補的表述已經窮盡「我們能對自然的了解」,那就不需要再說更多了,現在我們不在乎本質為何,我們只在乎可不可測。

以不確定原理為例,本體論的觀點是: 「在某一時刻,位置的不確定性越小,則動量的不確定性越大,反之亦然。」 而知識論的表述則更繁瑣: 「在某一時刻,如果對位置和動量『同時進行測量』,位置的不確定性越小,則動量的不確定性越大,反之亦然。」從現在開始,我們不能再談論那些無法被測量的事情了,若想要談論某個概念,我們就必須先設計出一個實驗來測量它,否則此概念就沒有任何意義。如果有人想問某個定律背後的機制是什麼,像是原子內部是否有軌道,氫原子能級是否真的是電子在軌道間躍遷;或是電子的自旋是否真的是某種超光速的自轉所產生。我們只能回答這些問題毫無意義,如果你不能設計某種實驗來驗證這種猜測。沒有人可以給你任何更深刻的描述,我們不知道有任何更基本的機制可以拿來推導出這些結果。擔心某件在原則上不能被驗證的事情是「物理之外」(metaphysics ,中譯「形上學」)的管轄了。 包立便說:「和討論一個針尖上能坐多少個天使的遠古問題一樣,我們無需為某些我們根本無法知道的事情費腦筋。」

這世界是否可以用量子力學來描述?

玻爾回答:「當然不是!量子力學並沒有解釋自然,它描述了我們對自然的看法。」但海森堡則認為:「當然!量子力學告訴我們微觀世界是怎麼回事,它們原先是一些可能性,在測量後會變成實際的。」 那究竟誰的想法更好?哥本哈根學派認為物理實在對於像「動量」或「位置」這種物理量,在測量它們之前並沒有確切的值。愛因斯坦會問在測量前的瞬間粒子是否有確切(雖然我們不知道)的位置,他甚至提出,對於這種問題我們只能回答:沒有、我們不知道、這問題沒有意義。這革命性的改變了人類對於世界的了解,曾經我們認為可以無限精確的探索世界,原子只是比較小的東西而已,遵循的物理規律跟宏觀物體一樣,但現在則發現用不同儀器所觀測到的世界也大不相同,客觀世界不再存在,主觀操作決定了我們能看到甚麼。

讓物理學家困擾的塌縮不確定機率性

我們必須來談談測量和塌縮。在量子力學裏,量子態可以用波函數(wave function)來描述,概念有點像是震動的彈簧在不同的時間裡有不同的形狀;薛丁格方程式則用來計算波函數如何隨著時間而變化。波函數塌縮指的是,在量子力學體系中與外界發生某些作用(如測量或觀察)後,波函數會發生突變:由原先若干本徵態的疊加在測量後塌縮到單一本徵態 波函數塌縮,也就是「量子態經過測量受影響其結果」這概念困擾了無數的物理學家。曾經有位史丹佛的年輕教授在量子力學課的頭兩周試圖探討測量問題,結果卻被系上資深的教授批評說:「你這麼做是有害的,學生們不需要了解量子力學的建立,這些都無用,只要讓他們會算就行了。」而朗道在他的書中試圖給測量一個數學定義(第一類測量和第二類測量),但依然避不開塌縮這個概念,雖然他整本書中都不曾出現「塌縮」這個詞,然而他指出「當量子客體和經典儀器相互作用後, 原先展開的完備集就只會剩下一項被讀出來,選中任何一項的機率是它的係數之模平方」,這其實就是在說測量後波函數會塌縮至某一本徵態。朗道已經算是比較良心了,至少願意談一下測量,更多的教科書直接把測量當作只可意會不可言談之事,而像是「退相干」(decoherence,另一個對於塌縮的解釋)這種較現代的概念更是絕口不提。

( 知識學習隨堂筆記 )
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引用
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