《量子物理若干基本問題》在認(rèn)可量子物理已為實(shí)驗(yàn)所廣泛肯定的前提下,對一些迄今尚未被完全理解的基本問題展開深入討論,包括粒子的顫動問題、EPR佯謬、連續(xù)譜的發(fā)散問題、測量原理,以及時間的標(biāo)度問題,等等。盡管Dirac、Schrodinger、Einstein等一干量子力學(xué)創(chuàng)始人對相關(guān)問題給出過精辟的分析,但是因?yàn)閱栴}的提出是在量子理論發(fā)展的初期,相關(guān)討論難免帶有經(jīng)典思維的痕跡,會影響對這些問題的理解與判斷。《量子物理若干基本問題》針對上述若干量子物理基本問題基于當(dāng)前的量子力學(xué)知識給予了系統(tǒng)的再思考。
《量子物理若干基本問題》可供大學(xué)物理專業(yè)本科生、研究生和相關(guān)研究人員參考。
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作者想討論和探索的是在現(xiàn)有的物理理論框架下一些尚存的模糊不清的基本問題,并試圖尋找相應(yīng)的解決途徑。
“十三五”國家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目、國家出版基金項(xiàng)目——《量子科學(xué)出版工程(第一輯)》中的一冊。
在量子力學(xué)建立初期,物理學(xué)家對量子理論持有不同的看法,有過激烈的爭論.Einstein認(rèn)為量子理論的出發(fā)點(diǎn)違背科學(xué)的決定論.物理系統(tǒng)在一定狀態(tài)下的物理量的值竟然呈現(xiàn)概率分布,這是不可接受的.Dirac在他的《量子力學(xué)原理》一書中回答了這一疑問,認(rèn)為在經(jīng)典物理中狀態(tài)是由一組物理量的數(shù)值來表征的,而在量子理論中狀態(tài)由態(tài)矢來表征.科學(xué)的決定論在量子理論中指的是態(tài)矢遵守確定的演化規(guī)律,從這個意義上來講,物理系統(tǒng)狀態(tài)的演化規(guī)律是確定的,量子理論符合科學(xué)的決定論,
在Einstein關(guān)于量子理論存在不自洽的看法中有一個備受矚目的EPR問題:“一個物理系統(tǒng)分離成兩個子系統(tǒng)時,由于此系統(tǒng)內(nèi)存在量子理論認(rèn)為的糾纏,因此對一個子系統(tǒng)的定域測量會駕馭另一個子系統(tǒng)的狀態(tài),這種超距的影響是違背因果律的,所以量子理論是不自洽的.”對于這一問題至今沒有人給出過正面的回答,還沒有誰真的做過實(shí)驗(yàn)對這一命題的真?zhèn)巫鞒雠袛啵畯牧孔永碚摫旧韥砜,它的測量原理只對物理系統(tǒng)的整體測量做了論斷,對于系統(tǒng)之子系統(tǒng)的定域測量,量子理論的測量原理沒有做過論述,遑論判定一個子系統(tǒng)的定域測量是否會駕馭另一子系統(tǒng)了.
除了像EPR悖論這樣的尖銳問題外,量子理論中還有一些值得我們深思的問題.例如,任一個保守的物理系統(tǒng)都具有一組完備的能量本征態(tài)集,即定態(tài)集,并且有些系統(tǒng)(例如氫原子、諧振子)的定態(tài)集之具體數(shù)學(xué)表達(dá)式亦已經(jīng)得到.有些系統(tǒng)的定態(tài)集之具體數(shù)學(xué)表達(dá)式尚未求得,但理論上可以肯定其存在,原則上總可以用數(shù)值求得.然而一個物理系統(tǒng)處于自由狀態(tài)時雖能求得平面波形式的定態(tài)解,這個定態(tài)解形式上似乎亦是能量的本征態(tài),但它并不是真實(shí)物理狀態(tài),這是一個長期以來被忽視的量子理論中不自洽的例子.我們要問:這一事實(shí)是意味著每一個保守的物理系統(tǒng)都具有物理的定態(tài)集這一規(guī)律不成立,還是自由狀態(tài)就不是一個為量子理論所容許的物理狀態(tài)?
在目前的物理理論中,另一個值得深思的問題是,不同頻率的光子在現(xiàn)有理論中是被等權(quán)地對待的。初看起來這似乎是合理的,但當(dāng)考慮到ω→0和ω→∞。這兩個極端的、在物理上無意義的光子亦將被包含進(jìn)來并被等權(quán)地對待時,顯然這樣的處理是不合理的。這一不合理處其實(shí)人們過去已經(jīng)注意到了,所以發(fā)展出了重整化理論加以彌補(bǔ),我們可否設(shè)想,從一開始就不采取那種不合理的處理方法,而改從另一個更為合理的依據(jù)出發(fā)來處理這類問題,從而無需后來再行彌補(bǔ)呢?
上面列舉了物理理論中存在的一些還不完全明了的問題,它們是否有答案以及如何才能找到令人信服的答案是作者試圖去努力探索的,希望能引起同行的注意和討論,此外我們要說的是,這些問題和我們對物理世界的一些基本認(rèn)識有密切關(guān)聯(lián),本書中提到的不論是Dirac粒子的顫動問題還是EPR佯謬都會牽涉到另外一些基本物理問題,甚至?xí)饘r空概念的進(jìn)一步思考。
最后要強(qiáng)調(diào)的是,我們在這里沒有對物理理論中的任何一個基本規(guī)律提出質(zhì)疑,我們想討論和探索的是在現(xiàn)有理論框架下一些尚存的模糊不清的基本問題,并試圖尋找相應(yīng)的解決途徑。
本書由作者之一汪克林基于過去多年在量子力學(xué)的教學(xué)與研究實(shí)踐中積累的對相關(guān)問題的思考撰寫而成,另一位作者曹則賢參與了部分討論并校閱了書稿。
汪克林,1934年生,1956年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系理論物理專業(yè),中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院退休教授、博導(dǎo),曾任中國物理學(xué)會教學(xué)委員會委員,出版《高等量子力學(xué)》(科學(xué)出版社)、《多體物理——相干態(tài)正交化方法及其應(yīng)用》(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社)等著作。曹則賢,1966年生,1987年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系,1997年在德國Kaiserslautern大學(xué)物理系獲得博士學(xué)位,1998年起在中國科學(xué)院物理研究所工作,國家杰出青年基金獲得者,CCTV《加油向未來》科學(xué)顧問,出版《物理學(xué)咬文嚼字》(四卷本)等著作。
序
第1章 Dirac粒子的顫動
1.1 Dirac方程與顫動問題
1.2 顫動的實(shí)驗(yàn)證實(shí)與量子模擬
1.3 顫動問題分析
1.4 一維Dirac粒子的速度
1.5 一個類似的問題——Weyl粒子的存在
1.6 顫動問題疑難的出路何在
1.7 具體計算Dirac粒子的顫動
1.8 本章內(nèi)容回顧
第2章 約束勢下Dirac粒子的顫動
2.1 粒子自由狀態(tài)的討論
2.2 顫動的具體計算
第3章 第五種力
3.1 第五種力的設(shè)想
3.2 約束勢論
第4章 EPR與量子測量原理
4.1 引言
4.2 EPR問題
4.3 實(shí)現(xiàn)EPR的“理想實(shí)驗(yàn)”
4.4 EPR定域測量與測量原理
4.5 定態(tài)求解
4.6 約束勢分離時的演化過程
第5章 EPR與Rabi模型
5.1 引言
5.2 約束勢下的Rabi模型系統(tǒng)
5.3 系統(tǒng)的初始狀態(tài)
5.4 系統(tǒng)分裂成兩個定域子系統(tǒng)的演化
5.5 勢阱分離后系統(tǒng)的分布
5.6 定域測量
5.7 位置波函數(shù)
5.8 定域測量的實(shí)施
第6章 連續(xù)譜問題與發(fā)散消除的新設(shè)想
6.1 問題的提出
6.2 譜密度和Casimir效應(yīng)
6.3 譜密度和Lamb能移
6.4 光場與物質(zhì)粒子
第7章 關(guān)于時空的思考
7.1 EPR討論引發(fā)的對時空的思考
7.2 時間標(biāo)度
第8章 一些量子理論基本原理的討論
8.1 量子理論的表述問題
8.2 測量原理及測量的不確定性
附錄 角動量不同分量間的關(guān)系