爱因斯坦和量子力学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,爱因斯坦和量子力学,为国际物理年而作,关 洪,（中山大学物理系）,adsgh,zsu,.,edu,.,cn,2005,年6月，北京,1,2005国际物理年徽记光锥,2,3,（一）论爱因斯坦的光量子概念,这里讨论的是爱因斯坦(,A.Einstein),在1905这个“奇迹年”发表的三篇具有划时代意义的重要论文之一：关于光的产生和转化的一个试探性观点。,大家知道，爱因斯坦这篇文章首次提出了光量子概念，并且由此得到了光电效应这种“光的产生和转化”过程中所发出的光电子能量的定律。而且，正是主要由于他“发现了光电效应定律”的贡献，获得了1921年度的诺贝尔物理奖。,4,然而，爱因斯坦在这篇文章里，对传播中的光的性质做了一种缺乏根据的外推。,关洪,量子力学的基本概念,北京：高等教育出版社,1990，94页,关洪,成素梅,从光子概念看量子实在的新特征,哲学研究,1993年5期，5157,关洪，一代神话哥本哈根学派，武汉：武汉出版社，2002，3545页,关洪，从现代物理学看构成论到生成论的转变，自然辩证法研究，18卷11期（2002）1012,5,其实，这篇文章开始研究的是辐射的熵。爱因斯坦以维恩(,W.,Wien,),的黑体辐射能谱定律为依据，运用玻尔兹曼(,L.,Boltzmann,),统计物理学里熵和几率联系的公式，计算出黑体辐射的熵，由此得到这样的结论：,“如果单色辐射，就其熵对体积的相依关系来说，好像辐射是由大小为,R,bn,/,N,=,h,n,的能量子所组成的不连续媒质一样，那么，接着就会使人去研究，是否光的产生和转化的定律也具有这样的性质，就像光是由这样一种能量子所组成一样。”这种进一步研究的最突出成果，就是爱因斯坦的光电效应定律。,6,他在这篇文章的导言部分是这样叙述他的推理的：“确实现在在我看来，关于黑体辐射、光致发光、紫外光产生阴极射线 即光电效应以及其他一些有关光的产生和转化的观察，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假说来解释，似乎就更好理解。按照这里所设想的假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来。”,7,光子概念的确立,1917年，爱因斯坦在辐射的量子理论一文里进一步提出，光的能量子即光量子不仅具有一份能量,h,n,，,而且也携带着一份动量,h,n,/c,。,这一论断亦在1923年前后被“康普顿散射”的实验所证实。不久之后，这种光量子被命名为“光子”，被广泛承认为一种粒子。,8,光的传播过程同光与物质相互作用的过程的区别,然而，无论是光电效应还是康普顿散射，都是一些“光的产生和转化”的过程，亦即是光同有重物质相互作用的过程。后来的无数事实表明，光在这一类过程中，并且仅仅在这一类过程中的确以光子的形式出现，或者说以光子的形式参加作用。但是不能够由此推断，的自由传播过程里，亦是以光子的形式存在的。,9,例：,b,衰变,例如，在原子核的,b,衰变过程中放出了一颗电子。起先物理学家们认为，那颗电子必定早先就处在原子核里头。所以，在 20 世纪初占支配地位的一种原子核组成的“核内电子”学说，认为电子是原子核的一种组成成分。但后来证明了那种学说是不对的，原子核里并没有电子，电子是在,b,衰变过程中产生出来的。所以，沿着经典物理学的思路，没有根据地把光同物质相互作用时的性质外推到光的传播过程，这种做法确实是不妥当的。,10,对爱因斯坦光子概念的质疑,最早提出量子论的,Planck,在1913年为爱因斯坦写的（联名）推荐信说：“可能有时候他的设想会迷失方向，例如，他的光量子假说”,通过实验证实了光电效应公式的,Millikan,在1916年说过：“爱因斯坦推导公式所依据的半微粒理论，现在看来是完全站不住脚的。”直到1948年他还在说：“它（光子）得到了确实的证明，尽管它不合理；因为它似乎违背了我们所知道的一切关于光的干涉的事实。”,11,Bohr,1923,年在与,Kramers,和,Slater,合作的著名的,BKS,文章里所表示的对于光子概念有保留的话：“虽然由爱因斯坦关于光电现象的预言的证实而显示出的这一假设的巨大的启发性价值，光量子的理论仍然明显不能满意地解决光传播的问题”，亦不是没有道理的。虽然康普顿的实验否定了玻尔这篇文章里提出的在个别微观过程中能量不守恒的假设，但是仍然没有消解玻尔这句话里的疑问。,12,爱因斯坦自己在1911年第一届索尔维会议上也是这样提到他的光量子假说的：“我坚持认为这个概念具有暂时性的特征，因为它与已由实验验证过的波动理论的结果不相协调。”,总之，尽管实验证实了爱因斯坦这篇文章里的光电效应公式，证实了光总是以光子的形式参加同物质的相互作用，但从来没有证实过他关于“光束的能量在传播中是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成”的论断。,13,历史的例子一项研究工作的结果是正确的，但这些结果所依赖的理论基础后来被证明是不正确的。例如，19世纪初在热质说的理论基础上做出了三项重要的成果：,P.-S.M.,Laplace,对空气中声速的推导，,J.Fourier,的热传导理论和,S.,Carnot,的热机定理。然而，这些结果的成功并不意味着热质说是正确的。,爱因斯坦这篇文章也有类似的问题。,14,（二）,Dirac,的专著,15,杨振宁论狄拉克,量子力学的重要人物早期工作几乎都有错误，除了狄拉克以外，没有一个没有错误，只有狄拉克一开始就对。,清楚，直接，没有渣滓,美，妙，清纯,神来之笔,“,秋水不染尘,”,引自：李华钟，风格与传统，载量子力学朝花夕拾教与学篇，科学出版社，2004,16,Dirac,：The Principles of QM,p.13,The intermediate character of the state formed by superposition thus expresses itself through the probability of a particular result for an observation being intermediate between the corresponding probabilities for the original states,*,*The probability of a particular result for the state formed by superposition,is not always,intermediate between those for the original states,in the general case,so,there are,restrictions,on the“,intermediateness,”of a state formed by superposition.,关洪，量子力学的基本概念，1990，128132页,关洪，再谈态叠加原理，大学物理，19卷8期（2000）,17,什么是量子力学里最根本的概念？,传统观念:波粒二象性,Bohr,：,互补原理,Heisenberg,：,测不准原理,Dirac,:,对易关系（量子泊松括号）,（要不是泊松括号在量子力学的发展中起过重大作用，它的应用简直像是无聊的玩意儿。,Lindsay&,Margenau,物理学的基础）,Feynman,：,概率幅,18,Dirac,观点的转变,“,不可对易性果真是量子力学主要的新观点吗？以前我一直以为是的，但近来我开始怀疑,”,“,如果要问量子力学的主要特征是什么，我现在倾向于要说：这个特征并不是不可对易代数学，而是几率幅度的存在，它构成一切原子过程的基础。,”,引自相对论和量子力学（1970）,态叠加原理讲的就是概率幅的叠加，脱离概率幅的概念来谈态叠加原理是讲不清楚的。,19,Dirac,的专著,1930年，,P.A.M.,Dirac,在量子力学的基本原理初版第一节里，发挥了爱因斯坦的观点，声言“诸如光电效应和与自由电子的散射等现象表明了，光是由叫做光子的微粒组成的，每一个光子具有一份取决于光的频率的确定的能量和动量。这些光子表现得正如电子或者在物理学里已知的任何其他粒子的存在那样真实。”在第五节讨论互相干涉的两支分光束时又说：“一颗光子部分地在一分束部分地在另一分束，”“每一颗光子仅仅同它自己干涉，”“两颗不同光子之间绝不可能发射干涉。”等等,20,Dirac,的影响,在狄拉克这本书后来的版本里（1935，1947，1958），第一章第 3节干脆写出“光子的干涉”的标题，并且重复着类似的陈述。于是，狄拉克不仅把传播中的光看做是由光子所组成，而且认为光的干涉就是光子的干涉。,由于爱因斯坦和狄拉克的权威，这种把光束看做光子流的观点，以及在这一基础上对光的传播和干涉等现象的解释盛极一时，至今仍然有相当大的影响。,21,但是，按照爱因斯坦，光子是“局限在空间各点的”。这种在空间中定域的微粒怎么样能够同时既在一支分光束，又在相隔一段宏观距离之外的另一支分光束的问题，以及一颗光子微粒怎么样可以在双缝衍射装置里同时穿越两条相隔一段宏观距离的狭缝，或者穿过一条狭缝的光子怎么会受到它没有穿过的另一条狭缝的开启或者关闭的影响等类似问题，曾经使得无数学习量子力学的学生和讲授量子力学的先生感到困惑不已。这一类的解说，业已成为理解量子力学基本原理的一大障碍。,22,Feynman,:The,Feynmen,Lecture of Physics,此外还有不使用光子语言的描述方法。例如，在,R.P.,Feynman,关于双缝衍射的描述里，一颗颗的光子或者电子只在探测器的记录里出现，而整个干涉现象是用几率幅的叠加来说明的。,23,Ballentine,:Quantum Mechanics,“严格说来，不是光子在干涉，既不是它们自己干涉也不是它们之间发生干涉，而是在电磁场中出现干涉图样要记得电场和磁场以及相应的量子力学算符（而不是光子的位置和动量）才是理论的基本变量。光子仅仅作为派生的量，即作为场的一种元激发进入理论。”不应当“仅仅把场看做是粒子流”，“不可能用一种光子气体去代替电磁场”等等。,24,关洪,关于“月亮在没人看它时是否存在?”的问题，自然辩证法研究，7卷3期(1991),1991年，我在一篇哲学论文里明确指出：“干涉过程只适宜用相位确定的状态（相干态）来描述，在这种状态里是不适宜于使用粒子语言的。”“具有确定相位的自由行进的光束，是不可以看做是由一定数目的光子所组成的光子流的。”,25,E.C.G.,Sudarshan,T.Tony,The two-slit interferometer reexamined,Am.J.Phys.59(1991)592-595,“电场是不同单个光子相联系的。”观察到的“干涉图样不是一些单个光子的干涉图样，而是相干态之间的干涉。”,26,相干态表示式,Glauber,1963,27,中性,K,介子双重态叠加公式,Gell,-Mann&,Pais,(1955),28,R.J.,Glauber,Diracs,famous dictum on interference,Am.J.Phys.63(1995)12,狄拉克写下那些“被当做圣经文句”的名言的时候，“没有意识到如此不成熟的陈述竟会造成多么严重的危害”。接着，他在评论近期围绕这个问题的几篇争论文章的时候指出，“最重要之点是在量子力学里干涉的不是粒子而是几率幅。”“说光子自己干涉或者它们相互干涉都是没有意义的。”,29,结 论,由此可见，爱因斯坦和狄拉克所倡导的关于光束由光子组成或者说光束是光子流的传统观念，的确存在严重的错误，已经受到了严厉的批评。,30,（,三）关于光的散射和输运过程,新近，北京大学科学与社会研究中心何祚庥教授指导的研究生李宏芳接连发表了针对我上述一些观点的两篇文章:,李宏芳，从现代物理学看粒子到场的转变兼评“从现代物理学看构成论到生成论的转变”一文，自然辩证法研究，19卷8期（2003），8589,李宏芳，月亮在没人看它时是否真的不存在？齐鲁学刊，2004第1期，129132,31,何祚庥，元气、场及治学之道，华东师范大学出版社，2000，39页,何祚庥说：“康普顿效应的重要意义，就在于为光的辐射确立了粒子观。”又说：“康普顿的散射实验，将光辐射看成是既有能量、又有动量的粒子。”当然，作为普及读物，讲得马虎一点也不要紧。但是作为学术研究，就要问问这里讲的“光辐射”是什么意思，是单单指参加散射的光呢，还是包括了自由传播的光？,32,Compton,康普顿1923年的那篇著名论文里讲到，“一个,X,射线量子不是被辐射体中的许多电子散射，而是用自己的全部能量作用到一个电子上。”而且，他正是以这一假设为基础，推导出“散射所造成的波长变化”的公式。1927年，康普顿在诺贝尔奖受奖演说里又说：“这个实验直接证明了定向辐射量子的存在，表明每一个反冲电子都伴随有,X,射线散射。因此，散射的,X,射线是,以光子的形式,发出的”,33,李宏芳,“现代物理学中光子在介质中传输的应用”。,这一节一开始就说：“现代物理学的发展不仅在实验上证明了光在传播中的粒子性，而且传播中光子的概念已经在辐射输运过程的研究中得到了广泛的应用。”,34,李宏芳（续）,“如果光在传播过程中不是以光子的形式存在，即这种光子输运过程不是客观的真实存在，原子弹和氢弹的研究成果根本无从谈起！面对真实发生的历史事实，面对一代物理学元勋以真实亲身经历书写的客观存在着的物理过程，又怎么能认为光子在传播的过程中是不存在的，只是在观察后才存在呢？”,35,黄祖洽，丁鄂江，输运理论，北京：科学出版社，1987,输运过程的发生，全在于存在着光同物质的相互作用，因此输运过程与单纯的传播过程有着本质的区别。何祚庥和他的学生李宏芳把输运过程同自由传播混为一谈，把输运过程中光以光子的形式参加与物质的相互作用，说成是“证实了光在传播中的粒子性”，不能不说是对物理学基本概念的严重混淆。,36,光子输运方程,方程左方是光子密度函数的空间时间变化率；右方首项是物质粒子,（原子或分子）,发射光子的贡献；次项是物质粒子吸收光子的贡献，以及电子对光子散射的贡献；末项描写同电子散射前后光子从初态变为末态所导致的贡献。,37,光子输运方程就是在经典统计物理学里的“玻尔兹曼积分微分过程”那一类型的方程，其中微分的是宏观变量，积分的是微观效果。上述方程描写的量,n,不过是由光在空间中的能量分布决定的光子密度分布函数，它是一个宏观物理量，并不描写单个光子的运动。,在光没有同物质作用的时候，上式右方为零，光子输运方程退化为连续性方程，它不外是能量守恒定律的一种表达。因此，的确没有根据说光在传播中是以光子的形式存在的。,38,另一个例子,李宏芳：“最近看到一本随机介质中的光的传播和应用与成象，书中的最后一章就专门讲到光子在生物组织中迁移的规律和国内外在这方面的研究成果。如果光在传播过程中不是以光子的形式存在，即这种光子输运过程不是客观的真实现在，这些研究和成果也根本无从谈起！”云云。,39,张逸新，随机介质中的光的传播和应用与成象，北京：国防工业出版社，2002,该书第八章的标题是“光波在生物介质中的传播与成象”，其中写道：“光波在生物介质中的传播以散射为主。”这里的决定性因素也是散射，即光与物质的相互作用，不是单纯的传播过程。,40,结 论,按照现代量子理论，物质或者粒子能够以不同的一些形式存在。微观对象在自由行进时所采取的存在形式，可以不同于它们同其他物质相互作用时所采取的形式。而人们对微观对象的观察，必须借助于同某种物质的相互作用。因此，不能够说微观对象在未受观察时，必定以受到我们观察时的那种形式存在。,41,总之，从中性,K,介子双重态和电磁场（光）存在着不同量子状态等问题，我们知道一种物质可以以不同的形式存在。,这是现代物理学告诉我们的科学知识，同唯心论或者唯物论都没有什么必然的联系。再说，我们讲的只是物质具有不同的存在形式，并没有说物质什么时候不存在了。例如，光这种物质总是存在的，但有时候它以光子的形式存在，有时候它以相干态或者别的状态的形式存在。,42,回想在二十世纪中叶苏联官方曾经强迫推行把相对论和量子力学当做资产阶级唯心主义来批判的运动，而嗣后在中国亦有些“左派”把这种做法当做马克思主义来供奉，其流毒至今依然没有肃清。但时代毕竟不同了，个别人仍然秉承“左派”的遗风，把现代物理学的成就当做唯心论来批判，乱扣帽子乱打棍子的做法，终将会被历史所唾弃。,43,（四）怎样检测不同量子状态的光,1956年,Brown-,Twiss,实验发现单束光的光子到达出现正关联，有些人不相信这一结果，有些人说量子力学出问题了。,Purcell,指出，这一结果正好反映了从热光源发出的光子满足的是,Bose,统计，而不是独立事件的纯随机系列。这恰好是量子力学原理的极好说明。,这是量子力学里的一种非因果性的和非定域性的关联效应。这方面最简单的两个例子：,Pauli,原理和,Bose,-Einstein,凝聚。,44,45,46,光子关联,经典理论中两束光的的一阶相干度（振幅干涉关联）和二阶相干度（强度涨落关联）,47,量子理论中的二阶相干度,对单束光，取12,48,量子理论的解释,热光（,thermal light）,满足,Bose,分布:,光子群聚效应,photon bunching,正关联,激光，满足,Poisson,分布：,随机分布，零关联,光子数本征态属负关联,anti-bunching,49,50,结 语,所以，光或者电磁场具有各种不同的量子状态，这是早就可以并且已经用实验检测到的事实，并不是单纯的说理讨论。那种认为光或者电磁场就一定是由光子组成的光子气体的说法早已经过时。,Dirac,在这方面的言论已经受到了严厉的批评，而,Einstein,更早的言论却在一百年来似乎没有多少人提起。,51,（,五）关于,EPR,状态,Einstein,Podolsky,Rosen 1935,的著名文章,EPR,效应也是一种非因果性和非定域性的关联效应。,1951,年，,Bohm,改用两个自旋为,h,/2,的粒子所组成的总自旋单态里两个粒子,自旋分量的关联，重新表达了,EPR,问题。,1964,年，,Bell,推导出不同的几个方向上的自旋投影的关系公式,Bell,不等式。,52,原本的,EPR,状态,设一个一维系统由两个粒子组成，不难证明：,于是,，,x,1,-,x,2,和,p,1,+,p,2,这两个算符必定有完备的共同本征函数组。,设,Y,是x,1,-,x,2,=,a,p,1,+,p,2,0,的共同本征函数，在这一状态中，两个粒子的坐标和动量必定满足关系：,x,2,=,x,1,-,a,p,2,-,p,1,53,EPR,论证的要点,在这个状态中，每个粒子的坐标和动量都不确定。但它们之间存在关系,x,2,=,x,1,-,a,p,2,-,p,1,于是，通过对,x,1,的测定，我们就可以在不干扰粒子 2 的情况下，确定地预言,x,2,的测量值必定是,x,1,-,a,同样，通过对,p,1,的测定，我们就可以在不干扰粒子 2 的情况下，确定地预言,p,2,的测量值必定是,-,p,1,这种,“,定域实在性,”,的描写，不是量子力学里的非定域关联的适当理解。,54,怎么样实现这种,EPR,状态,？,两个粒子的距离保持一定，它们的动量又正好大小相等方向相反，这个状态怎样实现？,一种可能的说明：,Ni Guang,-,Jiong,(,倪光炯),Guan,Hong(,关洪,),Zhou Wei,-Min,Yan,Jun,Antiparticle in the Light of Einstein-,Podolsky,-Rosen Paradox and Klein Paradox,Chinese Physics Letter,17,(2000)6:393-395,55,什么叫做,“,无法实现,”,？,“,EPR,文章所举的例子里，所用的态函数虽然在数学上是可能的，但谁也想不出怎样实现这种两个粒子有着相反的动量，又始终保持一定距离的臆想的追随运动。难怪好多人把这场争论只当做是一场不会有结果的空谈。,”,关洪,量子力学的基本概念,北京：高等教育出版社,1990，239页,56,量子力学是否还不完善？,在经典力学里，任何写得出来的、用函数,x,(,t,),表示的运动过程，只要这个函数满足适当的连续性条件，原则上都是可以实现的。在这里存在的只是技术上的困难，例如实际上做不到太大的加速度。那么，为什么在量子力学里，为所有基本原理所允许的这种,“,EPR,状态,”,，,竟是无法实现的呢？这是否意味着，量子力学还没有完成呢？是不是在量子力学里还需要加上一些限制，来排除这些无法实现的状态；或者要在量子力学里加上一些新的解释，好让这些状态得以实现呢？关洪，哥本哈根学派，141142页,57,Feynman,物理定律的本性，关洪译，湖南科技出版社，,2005，174,页,几年前我同一位非专业人士有一次关于飞碟的谈话因为我是科学的，我知道关于飞碟的一切！我说“我不以为真有飞碟”。因而我的对手就说，“飞碟是不是不可能存在呢？你能够证明它不可能存在吗？”我说，“不，我不能够证明它是不可能的。它只是非常靠不住的”。他回应说，“你真是太不科学了。如果你不能够证明它是不可能的，你怎么能说它是靠不住的呢？”,58,谢谢！,最新参考文献：关洪，论爱因斯坦关于光的产生和转化的一个试探性观点一文的得失，自然辩证法通讯，27卷2期（2005）7,纪念狭义相对论创立100年和爱因斯坦逝世50周年,59,