淺談經(jīng)典理論與量子力學(xué)的聯(lián)系

摘 要：文章首先回顧了量子力學(xué)發(fā)展史上的幾個(gè)問題，簡要說明了“EPR佯謬”和“薛定諤的貓”的主要內(nèi)容，然后通過“幽靈成像”實(shí)驗(yàn)簡單介紹了近幾年科學(xué)家在研究經(jīng)典理論與量子理論關(guān)系時(shí)所付出的努力，繼而通過介紹“量子世界中的歐姆定律”和“光合作用與量子力學(xué)的聯(lián)系”說明了量子力學(xué)與我們生活的聯(lián)系。最后，剖析總結(jié)量子力學(xué)現(xiàn)今仍存在的問題，并得到量子力學(xué)亟待發(fā)展這一結(jié)論。

關(guān)鍵詞：經(jīng)典理論 量子力學(xué) 聯(lián)系

中圖分類號(hào)：O413.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）08（a）-0143-02

量子力學(xué)于20世紀(jì)早期建立以來，經(jīng)過飛速的發(fā)展，逐漸成為現(xiàn)代物理學(xué)科中不可分割的一部分。量子力學(xué)是現(xiàn)代量子理論的核心，它的發(fā)展不僅關(guān)乎人類的物質(zhì)文明，還使人們對(duì)量子世界的認(rèn)識(shí)有了革命性的進(jìn)展[1]。

但是，量子力學(xué)并不是一個(gè)完備的理論，其體系中還存在許多問題，特別是微觀與宏觀，即經(jīng)典理論與量子力學(xué)的聯(lián)系。為解決這些迷惑，歷史上相關(guān)科學(xué)家提出了很多實(shí)驗(yàn)與理論。該文旨在以量子力學(xué)發(fā)展史上提出的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)其進(jìn)行簡單分析，以展示經(jīng)典理論與量子力學(xué)的聯(lián)系。

1 問題的提出

1935年3月，愛因斯坦等人在EPR論文中提出了“量子糾纏態(tài)”的概念，所謂的“量子糾纏態(tài)”是以兩個(gè)及以上粒子為對(duì)象的。在某種意義上，“量子糾纏態(tài)”可以理解為是把迭加態(tài)應(yīng)用于兩個(gè)及以上的粒子。若存在兩個(gè)處于“量子糾纏態(tài)”的粒子，那這兩個(gè)粒子一定是相互關(guān)聯(lián)的，用量子力學(xué)的知識(shí)去理解，只要人們不去探測，那么每個(gè)粒子的狀態(tài)都不能夠確定。但是，假如同時(shí)使這兩個(gè)粒子保持某一時(shí)刻的狀態(tài)不變，也就是說，使兩個(gè)粒子的迭加態(tài)在一瞬間坍縮，粒子1這時(shí)會(huì)保持一個(gè)狀態(tài)不再發(fā)生變化，根據(jù)守恒定律，粒子2將會(huì)處于一個(gè)與粒子1狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。如果二者相距非常遙遠(yuǎn)，又不存在超距作用的話，是不可能在一瞬間實(shí)現(xiàn)兩個(gè)粒子的相互通信的。但超距作用與當(dāng)今很多理論是相悖的，于是，這里就形成了佯謬，即“EPR佯謬”。

同年，薛定諤提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，后人稱之為“薛定諤的貓”。設(shè)想把一只貓關(guān)在盒子里，盒中有一個(gè)不受貓直接干擾的裝置，這套裝置是由其中的原子衰變進(jìn)行觸發(fā)，若原子衰變，裝置會(huì)被觸發(fā)，貓會(huì)立即死去。于是，量子力學(xué)中的原子核衰變間接決定了經(jīng)典理論中貓的生死。由量子力學(xué)可知，原子核應(yīng)該處于一種迭加態(tài)，這種迭加態(tài)是由“衰變”和“不衰變”兩個(gè)狀態(tài)形成的，那么貓應(yīng)該也是處在一種迭加態(tài)，這種迭加態(tài)應(yīng)該是由“死”與“生”兩個(gè)狀態(tài)形成的，貓的生死不再是一個(gè)客觀存在，而是依賴于觀察者的觀測。顯然，這與常理是相悖的[2]。

這兩個(gè)佯謬的根源是相同的，都是經(jīng)典理論與量子理論之間的關(guān)系。

2 近代研究進(jìn)展

2.1 驗(yàn)證量子糾纏的存在

華裔物理學(xué)家Yanhua Shih[3]曾做過一個(gè)被稱為“幽靈成像”的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象大致可以描述為：假設(shè)存在一個(gè)糾纏光源，這個(gè)光源可以發(fā)出兩種互為糾纏的光子，通過偏振器使兩種光子相互分離，令第一束光子通過一個(gè)狹縫，第二束不處理，然后觀察兩束光的投影，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第二束光的投影形狀與第一束光通過的狹縫形狀完全相同。

人們發(fā)現(xiàn)，如果僅僅使用經(jīng)典理論，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是無法解釋的，必須應(yīng)用量子理論，才能解釋“幽靈成像”的現(xiàn)象。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也恰好驗(yàn)證了“量子糾纏”現(xiàn)象的存在。

2.2 量子世界中的歐姆定律

歐姆定律是由德國物理學(xué)家Ohm于19世紀(jì)早期提出來的，它是一種基于觀察材料的電學(xué)傳輸性質(zhì)得到的經(jīng)驗(yàn)定律，其內(nèi)容是：在同一電路中，導(dǎo)體中的電流跟導(dǎo)體兩端所加的電壓成正比，跟導(dǎo)體自身電阻成反比，即 （U指導(dǎo)體兩端電壓；R指導(dǎo)體電阻；I指通過導(dǎo)體的電流）。

18世紀(jì)二、三十年代，人們認(rèn)為經(jīng)典方法在宏觀領(lǐng)域是正確的，但是在微觀領(lǐng)域?qū)?huì)被打破。Landauer公式給出了納米線電阻的計(jì)算方法，即（h為普朗克常量；e為電子電量；N為橫波模式數(shù)量）；而在宏觀中，（為材料的密度；l為樣品的長度；s為樣品的橫截面積）。由此發(fā)現(xiàn)，在宏觀領(lǐng)域，樣品的電阻是隨著樣品的長度增加而增加的，而在微觀領(lǐng)域，樣品的電阻與樣品的長度沒有關(guān)系。

Weber[4]等人制備了原子尺度的納米線并進(jìn)行觀察，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在微觀領(lǐng)域，歐姆定律也是滿足的。Ferry[5]認(rèn)為樣品的電阻是由多種機(jī)理所導(dǎo)致的，而他最后得到的結(jié)果正是由于多種機(jī)理的相互疊加。經(jīng)過分析，他認(rèn)為歐姆定律何時(shí)開始生效取決于納米線中電子耗散的力度，力度越大說明開始生效時(shí)的尺度越小。但這也同時(shí)引發(fā)了另一個(gè)問題的思考：低溫條件下，歐姆定律是仍然成立的，也就是說經(jīng)典理論仍然成立，但往往是希望在低溫下研究比較純粹的量子效應(yīng)。低溫條件下歐姆定律的成立要求在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，必須花費(fèi)更多的精力來使得經(jīng)典理論與量子理論分離開。

2.3 生活中的量子力學(xué)——光合作用與量子力學(xué)

Scholes等[6]從兩種不同的海藻中提取出了一種名為捕光色素復(fù)合體的化學(xué)物質(zhì)，并在其正常的生活條件下，通過二維電子光譜術(shù)對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了分析研究。他們首先使用了飛秒激光脈沖模擬太陽光來激發(fā)這些蛋白，發(fā)現(xiàn)了會(huì)長時(shí)間存在的量子狀態(tài)。也就是說，這些蛋白吸收的光能能夠在同一時(shí)刻存在于不同地點(diǎn)，而這實(shí)際上是一種量子迭加態(tài)。由此可見，量子力學(xué)與光合作用是有很大聯(lián)系的。

3 結(jié)語

從近幾年來量子力學(xué)的基本問題和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究可以看出，雖然經(jīng)典理論與量子理論的聯(lián)系仍然是一個(gè)懸而未決的問題，但是當(dāng)代科學(xué)家已經(jīng)能夠通過各種精妙的實(shí)驗(yàn)逐步解決歷史遺留的一個(gè)個(gè)謎團(tuán)，使得微觀領(lǐng)域的單個(gè)量子的測量與控制成為可能，并且積極研究宏觀現(xiàn)象的微觀本質(zhì)，將生活與量子力學(xué)逐漸的聯(lián)系起來。對(duì)于“經(jīng)典理論與量子力學(xué)的聯(lián)系”這一專題還需要進(jìn)行不斷研究，使量子力學(xué)得到進(jìn)一步完善與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]孫昌璞.量子力學(xué)若干基本問題研究的新進(jìn)展[J].物理，2001，30（5）：310-316.

[2]孫昌璞.經(jīng)典與量子邊界上的“薛定諤貓”[J].科學(xué)，2001（3）：2，7-11.

[3]Shih Y. The Physics of Ghost Imaging[J].2008.

[4]Weber B， Mahapatra S， Ryu H， et al. Ohm's law survives to the atomic scale[J].Science，2012，335（6064）：64-67.

[5]Ferry D K. Ohm's Law in a Quantum World[J]. Science，2012，335（6064）：45-46.

[6]Collini E， Wong C Y， Wilk K E， et al. Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature. Nature[J]. Nature，2010，463（7281）：644-647.