互补原理是这个世界对我们的深情呵护.docx
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1、导读:这个世界需要深情以待,无论它所表现的形式是什么样的。因为痛苦与快乐是人类的感觉,不是它的感觉。第十四章:互补原理,是这个世界对我们的深情呵护!上一章内容我们讲了波粒二象性,这一章讲互补原理。其实互补原理可以说说波粒二象性的阐述。两者相辅相成,所以这也是我要讲将两个章节连在一起讲的原因。这个世界需要深情以待,无论它所表现的形式是什么样的。因为痛苦与快乐是人类的感觉,不是它的感觉。就像上面的这副图,假若选择辨识少女的轮廓,则能够观赏到少女的图像,假若选择辨识老妇的轮廓,则能够观赏到老妇的图像。类似地,在量子力学里,假若选择做粒子实验,则会观测到粒子,假若选择做波动实验,则会观测到波动,但是,
2、绝不能同时观测到粒子与波动。我们都知道在量子力学里,互补原理是尼尔斯玻尔于1927年提出的一个基础原理,是哥本哈根诠释的基石。在不同学术领域,互补原理常被用来解释迥然不同的现象,对于这些用法,互补原理蕴含的意义大不相同,所根据的操作机制也完全不同。概念而言,微观物体具有波动性或粒子性,有时会表现出波动性,有时会表现出粒子性。波动性指的是波动所具有的波长与频率,意味着它在空间方面具有延伸性。粒子性指的是粒子总是可以被观测到其在某时间与某空间的明确位置与动量的性质。当描述微观物体的量子行为时,必须同时思考其波动性与粒子性。互补原理阐明,不能用单独一种概念来完备地描述整体量子现象,为了完备地描述整体
3、量子现象,必须将分别描述波动性、粒子性的概念都囊括在内。这两种概念可以视为同一个硬币的两面。按照玻尔的说法,微观物体的波动性与粒子性互补。根据位置-动量不确定性原理,在描述微观物体的量子行为时,位置的不确定性越小,则动量的不确定性越大;反之亦然。类似地,根据能量-时间不确定性原理,能量的不确定性越小,则测量时间的不确定性越大;反之亦然。在这里,互补原理指的是量子力学所给出的信息,对于任何一对不相容可观察量,由于不确定性原理,其中一个可观察量的不确定性越小,则另一个可观察量的不确定性越大,反之亦然。玻尔主张,因为不确定性原理,位置与动量互补,能量与测量时间互补。从实验方面来说,再精致的设计,也只
4、能演示出一部分量子现象,无法演示出全部量子现象。单独一种实验无法同时完整地观测到这两种现象,需要用两种不同的实验设置才能完整地观测到这两种现象。因此可以推论,整个实验与观测结果密切相关,只有在实验的框架内,物体被观测的性质才具有意义,才能够被确切决定。1900年,马克斯普朗克提出他的量子化假说 ,从在黑体辐射里电磁辐射能量的量子化,将能量与频率关联在一起。自此以后,物理学者就开始探索这个与经典理论相互抵触的新思想,然而在此过程中,却遇到了许多难以解释的问题。上面我们探讨过,1905年,阿尔伯特爱因斯坦应用量子的概念,把光束描述为一群离散的量子,现称为光子,而不是连续性波动,这论述解释了光电效应
5、,使得光微粒说重新获得活力;但是光在衍射、干涉实验中表现出的却是一种波动。光的本质是波动还是粒子,让人一时难以捉摸。路易德布罗意于1924年提出物质波假说,他主张,一切实物粒子均具有波动性,他并且给出对应的物质波波长与频率的关系式。1927年,克林顿戴维森与雷斯特革末设计与完成的戴维森-革末实验成功证实了物质波假说。后来,质子、中子、原子的波动性也都分别得到实验证实。这些实验结果既表明了微观粒子的波动性,又表明了其具有粒子性,这两种互相排斥的属性同时存在于一切量子现象中,使得量子力学的本质变得扑朔迷离。直到1925年,维尔纳海森堡从粒子的不连续性量子跃迁性质来表述矩阵力学,1926年,埃尔温薛
6、定谔以波动的连续性演化性质来启发性推导出波动力学,这两种理论虽然出发点大不相同,但在解释量子现象上却得到异曲同工的结果。1926年,保罗狄拉克证明了这两种力学在数学上是等价的。但这仍旧不能对波粒二象性给出更深层的理解。玻尔认为,这两种理论分别表达出不同的观点,为了要详尽解释量子现象,这两种观点都需被接纳,而从实验内涵来决定应该用哪种观点来诠释获得的结果。互补性原理故事是这样的,在1927年2月、3月间,玻尔在挪威欢度滑雪假期,似乎就是在那里,他灵机一动,构想出互补原理。海森堡也在那段时期对于不确定性原理有突破性的领悟,3月10日,他写了一封信将这消息通知玻尔。在玻尔度假回来前,海森堡就已将这表
7、述不确定性原理的论文写好,送出发表了,并没有给予玻尔审阅。玻尔五天后回到研究院,才看到这篇论文,他认为这有瑕疵,特别而言,在显微镜思想实验里的分析出现严重错误。为此,两人争执不休,刚从瑞典来访的奥斯卡克莱因也被卷入这场论战,还请了沃尔夫冈泡利帮忙从中调解,但是泡利那时正好分身不暇。最后,玻尔终于将海森堡说服。海森堡也同意表示,不确定性原理是更深层互补性概念的表象,是互补原理的必然结果。海森堡同意在即将发表的不确定性原理论文里添加以下几句声明:玻尔提醒我注意到,观测的不确定性并不只是从不连续性事件出现,而是直接捆绑于某种要求,即我们配派同样的正确性给迥然不同的实验,尽管在这些实验中,有些演示了微
8、粒说,而又有些演示了波动说。所以这里大家应该看的很明白了,互补原理,不确定性原理,波粒二象性是相辅相成的。但最重要的点是哪个?在这个观点上,最狡猾的逻辑就是它们是“相辅相成的。”但我的问题是最重要的是哪个?所以我必须选择一个。我选择不确定性原理是最重要的那个。我并不是认为“不确定性原理是更深层互补性概念的表象,是互补原理的必然结果”。相反我的观点是互补原理是不确定性原理的宏观表象。即波粒二象性也是源于此。我们接着来看,关于互补原理的发展历史。1927年9月16日,在意大利科莫召开的“纪念伏打逝世一百周年”的国际物理大会(International Physics Congress)上,玻尔在标
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