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雷奕安
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博客
量子力学的基本矛盾
发布时间:2021-09-30点击次数:

量子力学,无疑已经成为最广为人知的神秘科学理论。但是,“神秘”和“科学”是不应该沾边的。科学的目的就是调查,解释,消除“神秘”。科学理论应该确定,可验证,可理解,不应该神秘。但量子力学之所以被人们感兴趣,就是它的“神秘”。

量子力学的神秘来自于它难以理解,或者说,它违背我们的直觉认知。不是说我们的直觉认知必然正确,而是支持我们直觉认知的,经过严格实验证明的理论,比如相对论,在量子力学中,不但被忽视了,反而量子力学实验似乎推翻了相对论中的一些结论。这些结论不但已经经过严格验证,从来没有出现过反例,而且完美符合我们的直觉和基本逻辑,以及好不容易建立的新概念,如同时性问题。或者说,相对论及其推论,如果有反例的话,仅仅来自量子力学实验,包括量子纠缠与复杂干涉实验。

但是,量子力学的数学表达却不复杂,也不是很难理解。量子力学教科书一直试图避开量子力学的理解问题,因为“太难理解”了,“很难说清”,只是告诉我们如何计算。量子力学的数学计算非常成功,一举解决了原子分子结构,原子核结构,物质结构与性质等基本问题,还很好解释了后来出现的超导,激光,量子霍尔效应,玻色爱因斯坦凝聚等新现象。

量子力学数学表达方式的巨大成功,和概念理解的困难,构成一对基本矛盾。

量子力学最初是为了理解和计算微观世界的物理问题的,自然应该包括对基本粒子和基本粒子间相互作用的描述,但是量子力学无论在数学表达上,还是基本概念上,都对基本粒子及其相互作用做了最大程度的抽象。可是,我们后来在粒子物理,高能物理方面取得了巨大的进展,基本了解了基本粒子和相互作用的性质,其中的一些性质和量子力学的抽象矛盾,比如相对论的有效性。但是这些知识在量子力学数学表达中,完全没有反映。一个关于微观粒子世界的理论,却不包含基本微观粒子及其相互作用,这是第二对基本矛盾。

量子力学假设所有的物质都是波,也就是所有的粒子都是波,注意这里用的都是经典定义。后面所有的数学表达和诠释都以此为根据。但是,“粒子”和“波”是两个完全对立的概念。只有在测量时,才有粒子定域性概念。这是第三对基本矛盾,但是似乎可以包含在第一对矛盾中。

量子力学的数学表达,无论是薛定谔方程,还是矩阵力学,描述的都是牛顿绝对时空理想波动的性质。时空基本定义与相对论矛盾。由于物理时空概念只能有一个,这就构成了第四对基本矛盾,其实也就是与相对论的矛盾。这对矛盾似乎隐含在第二对矛盾之中。