量子力学本质哲学问题.doc

量子力学本质的哲学问题 ? 吴大猷 　 　　人们看到，各种完全革新性的思想一开始几乎同时由不同的物理学家提出，但具有不同的形式，即德布罗意和薛定谔的波动理论、海森伯的矩阵理论和狄拉克的更一般的理论。一个重要的事实是，在每一种情况下，都是首先充分发展数学部分，然后才是多种理论的统一，最后是它们的物理诠释。这些发展以由公设的形式表述量子力学而达到顶点，我们已在第十章中作了基本的概述（“基本的”是以损失“数学的严密性”为代价的）。这个体系在逻辑上是自洽的，并且也是与哥本哈根学派的哲学诠释一致的，关于哥本哈根学派的哲学诠释已在前面作过简要说明。但是出人意料的是，许多量子理论与量子力学的创始人程度不同地不能接受哥本哈根的观点。爱因斯坦就是一位主要的反对者，普朗克、薛定谔和德布罗意也不满于哥本哈根的态度。我们将尝试对爱因斯坦与哥本哈根学派的争论作一个简略的评论。 　　但在做这一点以前，让我们再次不揣重复地概述一下物理学中的重要发展，正是这些发展带来了基本概念和理论的基础性变化。为了避免太多的重复，我们略去了实验支持方面。 　　（1）17世纪，牛顿奠定了（经典）物理学的基础，它具有独立的（欧几里得）空间和（绝对的）时间概念，以及隐含决定论与因果性的运动定律，这个体系在两个世纪内未受到物理学家或哲学家的挑战。 　　（2）1900年，普朗克多少受实验结果所迫引进了辐射的量子理论。1905年，爱因斯坦由此进而提出了光子理论，具有如下关系：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　这就使波和粒子的不同概念等同起来，造成了它与经典物理学（事实上，与“常识”）的基本区别，引人瞩目。 　　（3）在狭义相对论（1905年）中，爱因斯坦指出，独立时空、绝对时间和绝对同时性的概念必须抛弃。在广义相对论（1915-1916年）中，他又引进了非欧时空概念以代替牛顿体系中的欧氏空间。 　　（4）1913年，玻尔理论引入了革命性的由量子化条件所规定的定态概念。对原子光谱的广泛而精细的研究，表明氢原子理论是成功的。每一个理论的或实验的结果（原子光谱、光电效应、康普顿效应、施特恩-革拉赫实验中的空间量子化，等等）都显示出普朗克常数h的存在，这增加了经典物理学不合适性的证据。 　　（5）但到了20年代初，对玻尔理论的最初的高度热情开始让位给深刻的思考。该理论不仅没有提供使理论推广到多电子原子问题的线索；物理学家们也因为理论的不一致而变得不安，理论中经典概念和原理的使用只是被忽视，并与外来的公设相矛盾。有些物理学家开始相信，进步不能只通过对经典理论与量子理论拼拼凑凑去寻求，这样的量子理论仍然只具有修正和改进的性质，它明显地还不足以形成一个一致的和完备的理论；一个一致的和完备的理论可能需要一个完全新的基础。 　　（6）物理学最值得庆幸的时期是在20年代早期，当时有一批才华横溢的年轻理论物理学家〔泡利（1900-1958）、费米（1901-1954）、海森伯（1901-1976）、狄拉克（1902-1984）〕，有一批稍为年长一点的理论物理学家〔薛定谔（1887-1961）、德布罗意（1892-1987）〕，还有一大批资深的大物理学家〔普朗克（1858-1947）、索末菲（1868-1951）、爱因斯坦（1879-1955）、玻恩（1882-1970）、玻尔（1885-1962）〕。他们是量子力学和量子理论的创始人。 　　德布罗意点燃了思想的火花（1924年），薛定谔发展了整个数学结构（1926年），而玻恩提供了波动力学的概率诠释（1926年）。海森伯从一个不同的方向出发提出了矩阵力学的思想并和玻恩、约旦一起完成其数学结构（1925年）。狄拉克发展出量子力学的普遍形式和变换理论（1926-1927年）。在量子力学的物理意义上，海森伯从爱因斯坦-德布罗意关系出发发现了不确定性原理（1927年），此后不久，玻尔提出了他的互补性思想（1927年）。到1927年底，量子力学的数学结构和物理诠释就完备了。在前一章中，我们已经看到了量子力学的公设形式结构。 　　（7）公设间的内在关系（爱因斯坦-德布罗意关系和不确定性关系并没有明显地出现在公设中）可以方便地以下面的图示表达出来。 　　薛定谔 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　海森伯 　　波动力学（1926年）　　　　　　　　　　　　　　　　 矩阵力学（1925年） 　　 　　　　　　　 　　　　　 　　　　＋ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＋ 　　概率公设　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 概率公设 　　玻恩（1926年）　　　　　　　　　　　　　　　　　　 玻恩（1926年） 　　　　｜ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　｜ 　　傅里叶变换