量子力学的哥本哈根解释
发布时间:2021-02-22 11:32
本文较详细地阐述了量子力学的哥本哈根解释,包括玻尔并协性原理和海森堡不确定原理、经典仪器、波函数坍缩、哥本哈根解释视角中的因果律。本文还列举了基于该解释的两个典型的测量实例:惠勒延迟选择实验和没有相互作用的相互作用;简要介绍了其他有影响力的量子力学解释:多世界解释、自洽历史理论、量子贝叶斯模型等。
【文章来源】:物理与工程. 2020,30(06)
【文章页数】:10 页
【部分图文】:
连续和不连续视角下质点的运动
第一个典型的例子是1978年惠勒提出的延迟选择实验[8],其实验示意图如图2所示,激光脉冲源发射的光子经过分光镜BS1(光子有一半的概率穿过反射镜到达M2,一半概率被反射镜反射到达M1),两个全反射镜M1和M2把两个路径的光子汇集起来,从探测器D1和D2的嘀嗒声可以判断光子的路径是BS1-M1或者BS1-M2。令人吃惊的现象出现了,在光子的交汇处再放置和BS1一样的分光镜BS2,调整BS1-M1-BS2和BS1-M2-BS2的相位,可使得两个路径的光子在BS2处发生反相干涉,〈a?outaout〉=sin2(φ/2),〈b?outbout〉=cos2(φ/2)。反相干涉的产生必定是一个光子同时从BS1-M1-BS2和BS1-M2-BS2两个路径到达BS2处相干叠加形成,因为光子单独走BS1-M1-BS2或BS1-M2-BS2路径都不会产生干涉现象;如果不放置分光镜BS2,则一个光子通过分光镜BS1后要么沿BS1-M1-BS2路径要么沿BS1-M2-BS2路径到达BS2处没有干涉现象〈a?outaout〉=〈b?outbout〉=1/2。放置BS2时光子表现出波动性的,同时走BS1-M1-BS2和BS1-M2-BS2两个路径形成干涉图样,不放置BS2光子表现出粒子性,或者走BS1-M1-BS2路径,或者走BS1-M2-BS2路径,干涉图样消失,这正是哥本哈根解释的精髓,人们的观测活动改变了量子系统的状态,即光子行走的路径。更令人吃惊的是如果在光子通过BS1快到达而还没有到达交汇点时,人们把BS2放置在交汇点,会出现什么现象呢?按通常的观念,光子通过BS1后光子的路径已经确定了即要么沿BS1-M1-BS2路径要么沿BS1-M2-BS2路径到达交汇处,但无论光子沿哪条路径,探测器D1、D2都不会观测到干涉条纹,但2007年法国一个研究小组的实验结果表明[9],探测器D1、D2依然观测到干涉条纹。结果意味着虽然光子已经经过BS1,但它的飞行路径依然随着人们的观测活动而改变,这个现象就是惠勒延迟选择实验。通俗一点来说,人们现在的观测活动改变了光子过去的飞行路径,人们可以在事情发生之后再来决定它之前是如何发生的,经典物理学的因果律遭到了彻底的颠覆。第二个例子是没有相互作用的相互作用(interaction without interaction)。我们在研究利用离子束探测简谐振动时,提出了一个新的没有相互作用的相互作用量子测量效应。如图3所示, 当一束离子束受交变电场的作用在垂直与束流方向做简谐振动时(图中圈叉表示),离子探测器在小于振动周期T的Δt时间内的计数存在一个由简谐振动引起的修正因子Δt/T,即N′=N·Δt/T,式中的T是简谐振动的周期,N表示没有横向简谐振动时Δt时间内离子的数目[10]。事实上离子束的横向简谐振动和纵向飞行的平移运动相互垂直,没有相互作用,但当测量与纵向平移运动有关的物理量-离子数目时,横向简谐振动也会对离子数目的测量结果产生影响,多出一个振动因子,因此起名为没有相互作用的相互作用量子测量效应。简言之,两个运动本来没有相互作用, 一旦进行测量它们就产生相互作用,故没有相互作用的相互作用是对这个理论预言形象而准确的描述。该测量效应本质很简单,因为离子束横向振动和纵向平动没有相互作用,故哈密顿量可写为H=HA+HB,体系的量子态为ρ=ρA?ρB,式中A代表离子的纵向平动,B代表离子束的横向简谐振动。探测器测量到的纵向的离子数目为〈N〉=TrA(ρAN)·TrB(ρB),通常TrB(ρB)=1,故没有相互作用的两种运动对各自对应的物理量的测量没有影响。然而如果探测时间Δt小于振动周期T,那么就有TrB,Δt(ρB)=Δt/T<1,于是出现了我们得到的结果,即探测器记录的原子的数目小于实际入射的原子数目。原本没有相互作用的两种运动也会对另一种运动所对应的物理量的测量产生了影响,它的本质当然是一种量子测量效应。该量子测量效应不但给出令人吃惊的结果,而且也可视为宏观量子效应,因为经典简谐振动和离子数目被离子探测器的记录都是宏观事件。简谐振动对离子束计数的修正因子与简谐振动的振幅和相位无关表明无论多么小振幅的简谐振动都能被检测到,这个量子测量效应有可能为引力波探测提供新的方法。
第二个例子是没有相互作用的相互作用(interaction without interaction)。我们在研究利用离子束探测简谐振动时,提出了一个新的没有相互作用的相互作用量子测量效应。如图3所示, 当一束离子束受交变电场的作用在垂直与束流方向做简谐振动时(图中圈叉表示),离子探测器在小于振动周期T的Δt时间内的计数存在一个由简谐振动引起的修正因子Δt/T,即N′=N·Δt/T,式中的T是简谐振动的周期,N表示没有横向简谐振动时Δt时间内离子的数目[10]。事实上离子束的横向简谐振动和纵向飞行的平移运动相互垂直,没有相互作用,但当测量与纵向平移运动有关的物理量-离子数目时,横向简谐振动也会对离子数目的测量结果产生影响,多出一个振动因子,因此起名为没有相互作用的相互作用量子测量效应。简言之,两个运动本来没有相互作用, 一旦进行测量它们就产生相互作用,故没有相互作用的相互作用是对这个理论预言形象而准确的描述。该测量效应本质很简单,因为离子束横向振动和纵向平动没有相互作用,故哈密顿量可写为H=HA+HB,体系的量子态为ρ=ρA?ρB,式中A代表离子的纵向平动,B代表离子束的横向简谐振动。探测器测量到的纵向的离子数目为〈N〉=TrA(ρAN)·TrB(ρB),通常TrB(ρB)=1,故没有相互作用的两种运动对各自对应的物理量的测量没有影响。然而如果探测时间Δt小于振动周期T,那么就有TrB,Δt(ρB)=Δt/T<1,于是出现了我们得到的结果,即探测器记录的原子的数目小于实际入射的原子数目。原本没有相互作用的两种运动也会对另一种运动所对应的物理量的测量产生了影响,它的本质当然是一种量子测量效应。该量子测量效应不但给出令人吃惊的结果,而且也可视为宏观量子效应,因为经典简谐振动和离子数目被离子探测器的记录都是宏观事件。简谐振动对离子束计数的修正因子与简谐振动的振幅和相位无关表明无论多么小振幅的简谐振动都能被检测到,这个量子测量效应有可能为引力波探测提供新的方法。新的没有相互作用的相互作用量子测量效应可以用哥本哈根解释给出满意的说明[11]。在小于一个周期时间内测量离子数目小于入射的离子数目,离子跑哪去了呢?实际测量离子数目时,要求探测器和离子束同频共振。在入射方向垂直的横向上离子束和探测器是相对静止的,被探测器记录的离子数目(假设探测器的探测效率为1)应该等于入射的离子数目,既然如此为什么还会出现一个所谓的振动因子Δt/T呢?谁不被量子力学迷惑过,谁就没有理解它。其实所有的秘密都藏在离子探测器里面,按量子力学的哥本哈根解释,量子测量过程中被测对象必然和经典实验仪器相互作用,对象的测量过程必然存在一定程度上的不可控制的干扰,此时被测对象和经典仪器都不在拥有经典物理世界的那种独立实在性,被测对象和经典实验仪器之间也不再有明确的分界。在离子束探测的问题上,离子探测器和离子束同频共振,它们具有完全相同的相位,振幅和频率。横坐标x代表离子束和探测区域振动的位移,纵坐标是简谐振动的概率密度,即波函数的模平方,如图4所示。探测器便具有了双重功能:①记录到达探测器的离子的数目;②抽取离子束横向简谐振动的信息,包括相位,振幅和频率。搞清楚了探测器的作用,以上两个问题迎刃而解。离子束的离子跑哪去了呢?因为探测器和离子束同频共振,在横向的探测器相对于离子束是静止的,所有的离子都跑到探测器了。既然如此,所谓的振动因子从何而来呢?如上图所示,在小于周期的时间间隔Δt内,探测器从x振动到x+dx,而探测器在x到x+dx范围内的概率恰好为Δt/T。这样探测器测量的离子数目就等于入射的离子数目N乘以探测器本身在x到x+dx范围内的概率Δt/T,与理论计算的结果完全一致,正是探测器从离子束抽取的简谐振动的信息产生了奇特的振动因子。
本文编号:3045929
【文章来源】:物理与工程. 2020,30(06)
【文章页数】:10 页
【部分图文】:
连续和不连续视角下质点的运动
第一个典型的例子是1978年惠勒提出的延迟选择实验[8],其实验示意图如图2所示,激光脉冲源发射的光子经过分光镜BS1(光子有一半的概率穿过反射镜到达M2,一半概率被反射镜反射到达M1),两个全反射镜M1和M2把两个路径的光子汇集起来,从探测器D1和D2的嘀嗒声可以判断光子的路径是BS1-M1或者BS1-M2。令人吃惊的现象出现了,在光子的交汇处再放置和BS1一样的分光镜BS2,调整BS1-M1-BS2和BS1-M2-BS2的相位,可使得两个路径的光子在BS2处发生反相干涉,〈a?outaout〉=sin2(φ/2),〈b?outbout〉=cos2(φ/2)。反相干涉的产生必定是一个光子同时从BS1-M1-BS2和BS1-M2-BS2两个路径到达BS2处相干叠加形成,因为光子单独走BS1-M1-BS2或BS1-M2-BS2路径都不会产生干涉现象;如果不放置分光镜BS2,则一个光子通过分光镜BS1后要么沿BS1-M1-BS2路径要么沿BS1-M2-BS2路径到达BS2处没有干涉现象〈a?outaout〉=〈b?outbout〉=1/2。放置BS2时光子表现出波动性的,同时走BS1-M1-BS2和BS1-M2-BS2两个路径形成干涉图样,不放置BS2光子表现出粒子性,或者走BS1-M1-BS2路径,或者走BS1-M2-BS2路径,干涉图样消失,这正是哥本哈根解释的精髓,人们的观测活动改变了量子系统的状态,即光子行走的路径。更令人吃惊的是如果在光子通过BS1快到达而还没有到达交汇点时,人们把BS2放置在交汇点,会出现什么现象呢?按通常的观念,光子通过BS1后光子的路径已经确定了即要么沿BS1-M1-BS2路径要么沿BS1-M2-BS2路径到达交汇处,但无论光子沿哪条路径,探测器D1、D2都不会观测到干涉条纹,但2007年法国一个研究小组的实验结果表明[9],探测器D1、D2依然观测到干涉条纹。结果意味着虽然光子已经经过BS1,但它的飞行路径依然随着人们的观测活动而改变,这个现象就是惠勒延迟选择实验。通俗一点来说,人们现在的观测活动改变了光子过去的飞行路径,人们可以在事情发生之后再来决定它之前是如何发生的,经典物理学的因果律遭到了彻底的颠覆。第二个例子是没有相互作用的相互作用(interaction without interaction)。我们在研究利用离子束探测简谐振动时,提出了一个新的没有相互作用的相互作用量子测量效应。如图3所示, 当一束离子束受交变电场的作用在垂直与束流方向做简谐振动时(图中圈叉表示),离子探测器在小于振动周期T的Δt时间内的计数存在一个由简谐振动引起的修正因子Δt/T,即N′=N·Δt/T,式中的T是简谐振动的周期,N表示没有横向简谐振动时Δt时间内离子的数目[10]。事实上离子束的横向简谐振动和纵向飞行的平移运动相互垂直,没有相互作用,但当测量与纵向平移运动有关的物理量-离子数目时,横向简谐振动也会对离子数目的测量结果产生影响,多出一个振动因子,因此起名为没有相互作用的相互作用量子测量效应。简言之,两个运动本来没有相互作用, 一旦进行测量它们就产生相互作用,故没有相互作用的相互作用是对这个理论预言形象而准确的描述。该测量效应本质很简单,因为离子束横向振动和纵向平动没有相互作用,故哈密顿量可写为H=HA+HB,体系的量子态为ρ=ρA?ρB,式中A代表离子的纵向平动,B代表离子束的横向简谐振动。探测器测量到的纵向的离子数目为〈N〉=TrA(ρAN)·TrB(ρB),通常TrB(ρB)=1,故没有相互作用的两种运动对各自对应的物理量的测量没有影响。然而如果探测时间Δt小于振动周期T,那么就有TrB,Δt(ρB)=Δt/T<1,于是出现了我们得到的结果,即探测器记录的原子的数目小于实际入射的原子数目。原本没有相互作用的两种运动也会对另一种运动所对应的物理量的测量产生了影响,它的本质当然是一种量子测量效应。该量子测量效应不但给出令人吃惊的结果,而且也可视为宏观量子效应,因为经典简谐振动和离子数目被离子探测器的记录都是宏观事件。简谐振动对离子束计数的修正因子与简谐振动的振幅和相位无关表明无论多么小振幅的简谐振动都能被检测到,这个量子测量效应有可能为引力波探测提供新的方法。
第二个例子是没有相互作用的相互作用(interaction without interaction)。我们在研究利用离子束探测简谐振动时,提出了一个新的没有相互作用的相互作用量子测量效应。如图3所示, 当一束离子束受交变电场的作用在垂直与束流方向做简谐振动时(图中圈叉表示),离子探测器在小于振动周期T的Δt时间内的计数存在一个由简谐振动引起的修正因子Δt/T,即N′=N·Δt/T,式中的T是简谐振动的周期,N表示没有横向简谐振动时Δt时间内离子的数目[10]。事实上离子束的横向简谐振动和纵向飞行的平移运动相互垂直,没有相互作用,但当测量与纵向平移运动有关的物理量-离子数目时,横向简谐振动也会对离子数目的测量结果产生影响,多出一个振动因子,因此起名为没有相互作用的相互作用量子测量效应。简言之,两个运动本来没有相互作用, 一旦进行测量它们就产生相互作用,故没有相互作用的相互作用是对这个理论预言形象而准确的描述。该测量效应本质很简单,因为离子束横向振动和纵向平动没有相互作用,故哈密顿量可写为H=HA+HB,体系的量子态为ρ=ρA?ρB,式中A代表离子的纵向平动,B代表离子束的横向简谐振动。探测器测量到的纵向的离子数目为〈N〉=TrA(ρAN)·TrB(ρB),通常TrB(ρB)=1,故没有相互作用的两种运动对各自对应的物理量的测量没有影响。然而如果探测时间Δt小于振动周期T,那么就有TrB,Δt(ρB)=Δt/T<1,于是出现了我们得到的结果,即探测器记录的原子的数目小于实际入射的原子数目。原本没有相互作用的两种运动也会对另一种运动所对应的物理量的测量产生了影响,它的本质当然是一种量子测量效应。该量子测量效应不但给出令人吃惊的结果,而且也可视为宏观量子效应,因为经典简谐振动和离子数目被离子探测器的记录都是宏观事件。简谐振动对离子束计数的修正因子与简谐振动的振幅和相位无关表明无论多么小振幅的简谐振动都能被检测到,这个量子测量效应有可能为引力波探测提供新的方法。新的没有相互作用的相互作用量子测量效应可以用哥本哈根解释给出满意的说明[11]。在小于一个周期时间内测量离子数目小于入射的离子数目,离子跑哪去了呢?实际测量离子数目时,要求探测器和离子束同频共振。在入射方向垂直的横向上离子束和探测器是相对静止的,被探测器记录的离子数目(假设探测器的探测效率为1)应该等于入射的离子数目,既然如此为什么还会出现一个所谓的振动因子Δt/T呢?谁不被量子力学迷惑过,谁就没有理解它。其实所有的秘密都藏在离子探测器里面,按量子力学的哥本哈根解释,量子测量过程中被测对象必然和经典实验仪器相互作用,对象的测量过程必然存在一定程度上的不可控制的干扰,此时被测对象和经典仪器都不在拥有经典物理世界的那种独立实在性,被测对象和经典实验仪器之间也不再有明确的分界。在离子束探测的问题上,离子探测器和离子束同频共振,它们具有完全相同的相位,振幅和频率。横坐标x代表离子束和探测区域振动的位移,纵坐标是简谐振动的概率密度,即波函数的模平方,如图4所示。探测器便具有了双重功能:①记录到达探测器的离子的数目;②抽取离子束横向简谐振动的信息,包括相位,振幅和频率。搞清楚了探测器的作用,以上两个问题迎刃而解。离子束的离子跑哪去了呢?因为探测器和离子束同频共振,在横向的探测器相对于离子束是静止的,所有的离子都跑到探测器了。既然如此,所谓的振动因子从何而来呢?如上图所示,在小于周期的时间间隔Δt内,探测器从x振动到x+dx,而探测器在x到x+dx范围内的概率恰好为Δt/T。这样探测器测量的离子数目就等于入射的离子数目N乘以探测器本身在x到x+dx范围内的概率Δt/T,与理论计算的结果完全一致,正是探测器从离子束抽取的简谐振动的信息产生了奇特的振动因子。
本文编号:3045929
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/3045929.html