《量子論的物理原理》
本書是量子論的一本經典著作，書中闡述了量子論的物理意義，特別著重於粒子圖像和波動圖像的等價性，討論了測不準原理對統一這兩種圖像的意義和必要性，有不少內容是海森伯獨到的見解，特別是對哥本哈根學派的觀點和思想作了完整論述，是這一學派的一本代表作，它對我們瞭解量子論的發展歷史很有參考價值。儘管現在人們對量子論的認識已經更為深入，但海森伯在本書中所闡述的一些觀點和內容，對我們加深對量子論的理解仍然很有價值。本書可供大學物理系高年級學生和研究生閱讀，也可供有關教師和研究人員參考。
前言
海森伯為他1929 年在芝加哥大學的演講撰寫的《量子論的物理原理》,要是以為它現在只有歷史或哲學意義, 那就錯了. 正好相反, 對於實驗在量子物理中的全新含意與作用, 它所給出的清晰闡述, 即所謂\量子論的哥本哈根精神", 在今天具有更現實的意義. 當時海森伯在分析中, 只從幾個早期在量子論裡所考慮的實驗, 實際上是假想實驗, 就得到了重大的成果. 而今天對單個量子系統進行的實驗, 在許多實驗室都已經駕輕就熟了. 早期的假想實驗大多是實際或類似實際的, 而對量子物理來說, 就像海森伯那時一樣, 還有許多更為基本的實驗. 解釋的問題在今天同樣是現實的, 儘管不一定比當時更現實.把握了這個根源, 今天的一些討論就能得到澄清.
波粒二象性就是一個具體的例子, 它在今天仍然是討論的中心. 海森伯清楚地表明, 波動圖像和粒子圖像兩者都只是類比的描述, 有時適用, 有時失效, 而兩者是有聯繫的. 他也清楚地表明, 許多現象有時既可以用粒子亦可用波動來理解. 一個具體而富有教益的例子或許是, 如何用兩種圖像來理解威耳孫雲室中的一束粒子. 粒子圖像當然是最直觀而讓人信服的: 按照這一圖像,束流中的一個α粒子沿其路徑徑直撞上不同的原子. 而這同樣也可用波動圖像來理解. 事實上, 按照海森伯的說法, 這裡只是在一條狹長帶內的原子在向前方向才能發生前向散射. 以這樣的方式, 在雲室中就形成了徑跡. 反之, 海森伯也類似地表明, 我們通常看到的波在週期性網格上的彎曲, 也能用粒子圖像來理解. 觀測的這種確定無疑的兩重性, 在今天的實驗中將會變得更加清晰.
當人們談及他們實驗的聯繫時, 就會遇到解釋上的分歧. 談論決定體系特性的實驗, 只有該特性確實能實際測量才有意義. 把一個實驗聯繫到另一個實驗, 不可避免地會帶來分歧. 說一個體系\在實際上" 有什麼特性, 是沒有意義的. 問題在於, 我們的經典語言是來自通常經驗的理解, 我們允許毫無意義的語言表述. 海森伯由此還認為, 存在一個原則上與之不可能有什麼聯繫的世界. 按照這種說法來思考, 當今一些關於解釋的討論就可以明顯地簡化.
按照海森伯的說法, 量子理論的“核心” 在於, 通過統計混合, 各種各樣可能性的疊加在原則上還是各種各樣的. 正如J. 貝爾(John Bell) 已經表明的那樣, 上述說法並不改變今天對消幹¤的討論, 因為"對所有實際的目的"來說,通過消幹得到的態只是等效於量子力學的態. 在經典物理裡, 一個統計混合描述的是理想系綜, 它不同於經典體系. 測量僅僅只是鑑別在這些情形中哪一個成為真實的. 與之相反, 量子物理的統計混合有兩方面的作用: 一方面像經典物理一樣, 一個系綜描述許多各不相同的體系; 而另一方面情形又是, 一個單個的量子力學體系, 通過與周圍環境的耦合, 就不再處於一個純態. 在這種情形, 由於我們只有一個單獨的體系, 測量就不是選出一個體系, 而是態按一種可能來縮編.
有意思的問題是, 對於從單個體繫到觀測結果的轉變, 在量子物理的描述與經典物理的描述之間, 界線放在哪裡. 這個界線, 正如海森伯依據威耳孫雲室十分出色地表明的那樣, 可以隨意放到任意一點. 若只涉及軌跡本身的描述, 在把引起α粒子散射的原子計入量子體系時, 是否把人也算進去並沒有差別. 從近代的觀點來看, 可以把人算進去, 而在考慮對α粒子和原子的觀測時也包括人的干擾, 這就會引起差別. 這種干擾的出現是一種么正的演化, 它在原則上必須是可逆的, 這對將來的實驗是一個突出的挑戰.
從今天的觀點看, 特別是考慮到從那時以來實驗的巨大進步, 人們或許更看重海森伯的一些表述. 例如宏觀分子的量子相干實驗就展現得非常清楚, 無論單個體系本身的狀態是處於量子還是經典力學的情形, 這實際上都是一個實驗裝置的問題. 在基本的表述上, 海森伯並沒有改變, 儘管在有些地方他或許是謹慎的. 例如在語言上常常隱含的意思是, "宏觀的"等同於"經典的", 同樣"微觀的"等同於"量子力學的", 這在今天不再成立. 但是在海森伯的時候,按照當時的實驗情形而把這種對應當成顯而易見, 這應該是可以理解的. 與海森伯的時代相比, 今天人們或許倒是看重觀測者在量子實驗中的作用. 從疊加到統計混合的過渡, 可以理解為是從量子體系到另一個體系的信息流動, 這在原則上是可逆的. 這就是說, 通過與另一個體系的耦合, 觀測者並不能從中獲得知識, 而只不過是得到一種可能, 使觀測者有可能獲得確定的知識. 因而, 觀測者實際獲得知識, 是在最後結束可逆過程, 並且發生了從可能到現實的轉變的情形.
海森伯這一分析各種實驗的演講, 值得推薦給當今從事量子物理基礎實驗的各位實驗家. 這無疑有助於實現海森伯的目的, 他通過這本書所追求的信念, 正如前面已經提到的, 是通過實際的理解來建立量子論的物理原理. 海森伯在他的書中期待未來對經典觀念領域的限制還會進一步加強. 於是可以肯定, 一個實際實驗的仔細分析, 在觀念上有著實質的助益.
A. 蔡林格 (Anton Zeilinger) 博士教授
2008 年6 月於維也納
目錄
《量子論的物理原理》購書地址 長按二維碼打開鏈接
週末讀書：
十大熱門文章
END
更多精彩文章，請關注微信號：cpsjournals
長按指紋 > 識別圖中二維碼 > 添加關注