量子力学波函数的新解释西安重装渭南光电科技有限公司 贾伟东摘 要 ：量子力学无疑是 20 世纪在研究微观粒子领域最成功的力学，但自它诞生之日起，带给人们的争论与困惑却曾没有停息过，特别是波函数概率解释中引进观测坍缩，使它几乎沦为了一门“玄学” ，这与其成功的物理价值不相匹配，那么，我们应怎样理解波函数呢？这需要我们理解微观粒子波函数的本质，本质一旦明晰，我们就可以将“意识”的幽灵从物理学中赶出去。关键词：波 粒子 物质波 波粒二象性 波函数 波包坍缩 自旋 能量 势场0、引言自德布罗意于 1924 年提出的德布罗意假说，表明每一种微观粒子都具有波粒二象性。电子也不例外，具有这种性质。电子是一种波动，是电子波。电子的能量与动量分别决定了它的物质波频率与波数。既然粒子具有波粒二象性，应该会有一种能够正确描述这种量子特性的波动方程。薛定谔从哈密顿-雅可比方程成功地推导出薛定谔方程。从此，量子力学有了一个崭新的理论平台。薛定谔给出的薛定谔方程能够正确地描述波函数的量子行为，但是，物理学家尚未能解释波函数的涵义，薛定谔尝试用波函数来代表电荷的密度，但遭到失败。1926 年，玻恩提出概率幅的概念，成功地解释了波函数的物理意义。可是， “意识”的幽灵也进入了物理学的大厦，使得能够成功应用于微观粒子 世界的物理学几乎沦为“玄学” 。就此问题，我想从以下几个方面作以剖析，对波函数的物理意义提出新的一种解释。1、波的本质1.1 量子力学的波量子力学和相对论是近代物理学的两大支柱。量子力学理论体系的自洽性及其与实验事实的符合，已经得到学术界的公认，但是对它的基本概念的理解与解释，也就是量子力学的诠释问题，还一直存在着争论。这些争论主要集中在如何理解波粒二象性和测不准关系，以及以玻尔为首的哥本哈根学派由此发展出来的互补原理上。当前大多数物理学家比较倾向于接受哥本哈根学派的解释，而称其为量子力学的正统解释。正统解释：物质波是用波函数 （r，t ）来描述的具有确定能量和动量的平面波。无论将波是由粒子组成或粒子是由波组成的看法都是错误的，波函数 （r，t ）描述的物质波是几率波。但是，在解释微观粒子的各种现象时，又是分离的，不统一的，一会是波，一会又是粒子，怪异的鬼波样的解释，特别是波包坍缩，竟然将意识引入到物理学中。这都是由于传统的经典物理中还没有粒子波的可做比较的参比物，因此，诠释方面再难以有更大的突破，只好任由意识的幽灵飘荡在物理学上空。1.2 波的本质在经典波动物理学中，波依赖于物质波媒介(不是波载体) 而存在，且没有介质，波就难以存在，故经典波又为媒介波。而以粒子为载体的载体波，是难以想象的了，即古典波中，没有波动的粒子，即纯物质的物质波的描述，故由此得出的波粒二象性的非物质的物质波也就不足为怪了。因为，经典物理中，还没有这类概念，粒子的波动，若要类比出更新的量子波的观点，纯物质的物质波，真是难上加难。要跳出经典物理的束缚是不容易的，虽然，互补的波粒二象性已经是个伟大的创新，但是对于波的诠释，依然留有经典波的影子。我们要理解波粒二象性，首先要跳出经典波的形象概念，要理解波的本质。波的本质：具有0,1性的周期性变化。2、物质波的本质我们理解了波的本质后，那么我们可以看一下真空中都发生了。2.1 真空真空本指没有任何实物粒子存在的空间，但我们还是发现不时有基本粒子在真空中出现又消失，无中生有。真空具有如下性质：1）空非无。如果真空中没有粒子，我们就会准确的测出场(0)与场的变化曲率(0)，然而海森堡不确定性原理表明，我们不可能同时精确地测出一对共轭量，所以，可以“空” ，不能“无”。因此，在真空中，粒子不停地以虚粒子、虚反粒子对的形式凭空产生，而又互相湮灭，在这个过程中，总的能量保持不变。2）真空存在极性。因此说真空是不对称的。但这种不对称是相对局部的，在相对整体上又是对称的，如此的循环嵌套构成了真空的这个性质。3）真空的每个局部具备了真空的全体性质。大和小是相对而言的。时间也是相对于空间而言的，时间不能脱离了具体的空间而单独的存在。2.2 物质波的本质从真空的性质我们可以看到，物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。当能量达到波峰，能量转化为一对对正反基本粒子，当能量达到波谷，一对对正反基本粒子又相互湮灭，转化为能量。这实际上，我们可以看成能量，粒子的一个周期性的波。再从薛定谔波函数 (r,t)=Aexpi/ (prEt)来看，我们抛开 A， 实际就是 非 1，1的一个周期性函数。因此，物质波的本质就是非 1，1 的一个周期性的波。3、波函数的新解释从上述对物质波的本质的分析，我们可以看出，波函数 本身就是对微观粒子的波的描述。当 为 1 时，其是粒子性的；当 在非 1 到 1 的过程中，其是波动性的。如此，我们可以做这样一个大胆的假设：粒子非 1 的状态是能量状态，1 的状态是粒子状态。也就是说，波粒二象性实质上是粒子在能量态，粒子态 之间相互转化的一个周期性的波。波恩的几率解释，只是说明了我们在 t 时刻在某空间找到粒子态的几率，而不是物质波本身是几率波。4、关于物质的再探讨粒子物质如果是能量态，粒子态 之间相互转化的一个周期性的波的话，则我们能给出一个物质波函数(r,t)=E/c 2(r,t)其中，(r,t)=expi/ (pr- t)，E 为能量，c 为光速。于是，我们可以得到方程i c2 (r,t)= EH (r,t)t(r,t)是满足归一化条件的。因此，上述方程可转化成i c2 (r,t)= EH(r,t)t6、小结1）由于粒子本身就是能量态，粒子态转化的波，我们能观测到的只是 为 1 时的粒子态，因此，根本不存在波包坍缩，也就无意识影响波态的问题。2）波函数之所以描述的是在 t 时刻在某空间找到粒子态的几率，是因为能量是运动的，是不连续的，是不均匀的，这造成空间也是运动的，是不连续的，是不均匀的，而正是能量和空间的这种运动、不连续和不均匀，导致势场的存在，势场作用于运动的粒子波，从而使在不同的能级和空间中随机的出现。3）在一个相对不变的势场和定域的空间中，粒子波的运动是受限的，因此粒子波才表现出几率的分布。4）因为粒子本身就是能量态，粒子态转化的波，因此是可以同时观测到波态和粒子态的。附：中国科学家挑战“光是什么”传统界限2012 年 09 月 04 日 14:53 来源：中国新闻网 参与互动(88 )42中 新 社 合 肥 9 月 4 日 电 (杨 保 国 吴 兰 )9 月 份 的 自 然 -光 子 学 封 面文 章 发 表 了 中 国 科 学 家 首 次 实 现 量 子 惠 勒 延 迟 选 择 实 验 ， 挑 战 “光 是 什 么 ”的 传 统 界 限 ， 并 首 次 实 验 观 察 光 子 的 波 粒 叠 加 态 。4 日 ， 记 者 从 中 科 大 郭 光 灿 院 士 领 导 的 中 科 院 量 子 信 息 重 点 实 验 室 获 悉 ，该 实 验 室 李 传 锋 研 究 组 首 次 实 现 了 量 子 惠 勒 延 迟 选 择 实 验 ， 制 备 出 了 光 的 波 -粒 叠 加 状 态 ， 丰 富 了 人 们 对 传 统 玻 尔 互 补 原 理 的 理 解 ， 挑 战 “光 是 什 么 ”的 古 老 科 学 问 题 。光 是 什 么 ？ 研 究 组 成 员 认 为 ， 从 最 初 牛 顿 的 粒 子 说 ， 到 惠 更 斯 的 波 动 说 ，直 至 爱 因 斯 坦 的 光 量 子 说 ， 一 直 众 说 纷 纭 。 现 在 对 光 的 理 解 可 归 结 为 玻 尔 的互 补 原 理 ， 即 光 具 有 波 粒 二 象 性 ， 波 动 性 和 粒 子 性 这 两 种 属 性 即 对 立 又 互 补 ，一 个 实 验 中 具 体 展 示 哪 种 属 性 取 决 于 实 验 装 置 。此 前 有 一 种 隐 变 量 理 论 认 为 ， 光 子 有 自 由 意 志 ， 实 验 观 察 结 果 可 展 现 其粒 子 性 或 波 动 性 。 为 了 检 验 这 种 隐 变 量 理 论 和 量 子 力 学 谁 是 谁 非 ， 玻 尔 的 学生 惠 勒 于 1978 年 提 出 了 著 名 的 延 迟 选 择 实 验 。在 经 典 的 惠 勒 延 迟 选 择 实 验 中 ， 光 的 波 动 性 和 粒 子 性 不 能 够 同 时 展 现 出来 。 李 传 锋 研 究 组 设 计 出 一 种 量 子 实 验 装 置 ， 巧 妙 地 利 用 光 子 的 偏 振 比 特 作为 辅 助 ， 使 测 量 装 置 处 于 量 子 叠 加 态 ， 能 同 时 探 测 光 子 的 波 动 性 与 粒 子 性 ，从 而 实 现 了 量 子 的 惠 勒 延 迟 选 择 实 验 。 该 实 验 排 除 了 光 子 有 自 由 意 志 的 假 设 ，并 首 次 观 测 到 波 与 粒 子 的 叠 加 状 态 ， 处 于 这 种 叠 加 态 的 光 子 ， 既 不 像 粒 子 态那 样 没 有 干 涉 条 纹 ， 也 不 像 波 动 态 那 样 表 现 出 正 弦 形 干 涉 条 纹 ， 而 是 呈 现 出锯 齿 形 条 纹 这 样 一 种 “非 波 非 粒 ， 亦 波 亦 粒 ”的 表 现 形 式 。英 国 著 名 量 子 物 理 学 家 阿 迪 索 教 授 认 为 ， “该 实 验 挑 战 了 互 补 原 理 设定 的 传 统 界 限 ， 在 一 个 实 验 装 置 中 展 示 光 子 可 以 在 波 动 和 粒 子 两 种 行 为 之 间相 干 地 振 荡 ”。 自 然 -物 理 杂 志 也 在 “研 究 高 亮 ”栏 目 报 道 了 该 成 果 ，称 它 “重 新 定 义 了 波 粒 二 象 性 的 概 念 ”。 (完 )参考文献：1. U. Haber-Schaim et al, PSSC Physics, 3rd ed, D. C. Heath, 1971;2. 倪光炯,李洪芳. 近代物理, 上海科学技术出版社, 1979 年;3. Max Yammer, The Philosophy of Quantum Mechanics, John Wiliey & Sons,Inc.,19744. 程守洙, 江之永 . 普通物理, 第三册 , 高等教育出版社, 1986 年;5. E. H. Wichmann, QUANTUM PHYSICS, V.4, McGran Hill, 1971;6. G. H. Duffer, Theoretical Physics-Classical and modern Views, Houghton MifflimCompany, 1973;7. A. P. French et al, 王小然 等译,量子物理导论, 天津科技翻译出版公司, 1991;8. 王国文, 物理, 20-7(1991),428-432;9. 向义和, 物理,20-1(1991),118-123;10. .,李煊 等译, 粒子 量子与波, 科学出版社,1983;11. R. G. Winter, Quantum Physics, Wadsworth Publishing Company, 1979, 174-175.12. 洪定国.物理学理论的结构与拓展.科学出版社.1988.13. N. R. 汉森 著，邢新力,周沛 译,发现的模式,中国国际广播出版社,1988.2 联系方式：陕西省渭南市高新区崇业路南段西安重装渭南光电科技有限公司 手 机：13709181396