第四节物理学革命与哲学

波函数统计诠释涉及对世界本质的认识观念
哥本哈根学派——爱因斯坦 哥本哈根学派——爱因斯坦 著名论战 —— 玻尔、波恩、海森堡、 爱因斯坦、薛定谔、 玻尔、波恩、海森堡、 爱因斯坦、薛定谔、 狄拉克、泡利、 狄拉克、泡利、费曼 德布罗意等 等 波函数的概 率解释是自 率解释是自 然界的终极 实质 量子力学背后隐藏着还没有 被揭示的更基本的规律，这 被揭示的更基本的规律， 个规律对量子力学有新的解 释。上帝不会掷骰子
论战的主要问题
量子力学建立以后，对于量子力学的物理解释和哲 量子力学建立以后， 学意义， 学意义，学术界长期争论的主要问题有以下几方 面： 现行的量子力学理论能否完备地描述微观世界？ 现行的量子力学理论能否完备地描述微观世界？ 量子力学里最基本的物理量—— ——波函数究竟应该怎 量子力学里最基本的物理量——波函数究竟应该怎 样理解，是几率波还是物质波？统计性和决定论 样理解，是几率波还是物质波？ 是什么关系？ 是什么关系？ 由测不准关系提出测量问题、宏观仪器和微观现象、 由测不准关系提出测量问题、宏观仪器和微观现象、 主观和客观的关系。 主观和客观的关系。 争论长达半个多世纪。 争论长达半个多世纪。其中最突出的是爱因斯坦和 哥本哈根学派之争。 哥本哈根学派之争。
一、一场国际性的大论战
1. 量子力学虽然建立了，但关于它的物理 量子力学虽然建立了， 解释却众说纷坛，莫衷一是。 解释却众说纷坛，莫衷一是。 波动方程中的所谓波究竞是什么? 2. 波动方程中的所谓波究竞是什么? 如何认识微观领域里的测不准关系? 3. 如何认识微观领域里的测不准关系? 4. 围绕上述问题哥本哈根学派与爱因斯坦 等物理学家之间进行了旷日持久的论战。 等物理学家之间进行了旷日持久的论战。
一对不对易的共轭力学量在测量时不能同时确定。 一对不对易的共轭力学量在测量时不能同时确定。
h ∆x ⋅ ∆px ≥ 4π h ∆y ⋅ ∆py ≥ 4π h ∆z ⋅ ∆pz ≥ 4π
h── 谱朗克常数 x──表示微粒沿 表示微粒沿x △x──表示微粒沿x 方向的位置坐标的测 不准量。 不准量。 px──表示微粒沿 △px──表示微粒沿 x方向的动量测不准 量。 对于微观粒子， 对于微观粒子，不能同 时用确定的位置和动量 来描述。 来描述。
哥本哈根解释
玻尔敏锐地意识到它正表征了经典模念 玻尔敏锐地意识到它正表征了经典模念 的局限性，因此以之为基础提出了“ 的局限性，因此以之为基础提出了“互 补原理” 补原理”，认为在量子领域里总是存在 互相排斥的两套经典特征， 互相排斥的两套经典特征，正是它们的 互补构成了量子力学的基本特征。 互补构成了量子力学的基本特征。玻尔 的互补原理被称为正统的哥本哈根解释。 的互补原理被称为正统的哥本哈根解释。
因果律被推翻？ 因果律被推翻？
围绕量子力学的解释，科学乃至哲学上出现 围绕量子力学的解释， 了异常混乱的局面。 了异常混乱的局面。 特别是海森堡提出测不准原理之后， 特别是海森堡提出测不准原理之后，不少人 大声疾呼：因果律面临被推翻的危机。 大声疾呼：因果律面临被推翻的危机。 根据经典力学，如果已给出了质量在某一时 根据经典力学， 刻的位置和速度， 刻的位置和速度，则以后任何时刻的状态就 可以绝对地确定下来。但在量子力学中， 可以绝对地确定下来。但在量子力学中，认 为其状态是“不确定” 为其状态是“不确定”的，量子力学只承认 概率上的必然性。 概率上的必然性。
关于“波函数的统计解释” 关于“波函数的统计解释”的不同理解
1926年 玻恩提出波函数服从统计原理， 1926年，玻恩提出波函数服从统计原理， 提出波函数服从统计原理 其哲学思想与哥本哈根学派一致 哥本哈根学派一致， 其哲学思想与哥本哈根学派一致，但两 者对量子力学的解释有差异， 者对量子力学的解释有差异，尽管他们 都承认几率的概念， 都承认几率的概念，但哥本哈根学派认 为几率可以描述单个事件， 为几率可以描述单个事件，而统计解释 者则认为不能。 者则认为不能。 爱因斯坦是统计解释的积极倡导者和宣 爱因斯坦是统计解释的积极倡导者和宣 传者，认为正是由于这种统计性质， 传者，认为正是由于这种统计性质，才 使得量子力学对微观系统的描述是不完 备的。 备的。
第四节： 第四节：物理学革命与哲学
一．一场国际性的大论战 1. 哥本哈根解释 2. 统计解释 二．关于哥本哈根学派与 爱因斯坦之争的评述
本节教学目的和要求
1. 了解量子力学的“波函数的统计解释”和“测不 了解量子力学的“波函数的统计解释” 准关系”的涵义； 准关系”的涵义； 2. 了解哥本哈根学派与爱因斯坦等人之争的概况及 其实质； 其实质； 3. 深刻理解哥本哈根学派与爱因斯坦等人之争在物 理学史乃至人类认识史上的重大意义。 理学史乃至人类认识史上的重大意义。
玻尔和哥本哈根学派
玻尔简介：玻尔（ 玻尔简介：玻尔（1885~1962）是推广、应用 ）是推广、 与发展量子论的又一科学家。 与发展量子论的又一科学家。玻尔出生在哥本 哈根一个颇有声望的知识分子家庭， 哈根一个颇有声望的知识分子家庭，祖父是语 言学家，父亲是哥本哈根大学生物学教授。 言学家，父亲是哥本哈根大学生物学教授。玻 岁进入哥本哈根大学物理系学习。 尔18岁进入哥本哈根大学物理系学习。1911年 岁进入哥本哈根大学物理系学习 年 入英国剑桥大学和曼彻斯特大学深造， 入英国剑桥大学和曼彻斯特大学深造，在这里 结识了他的良师益友卢瑟福， 结识了他的良师益友卢瑟福，在他的鼓励和帮 助下完成了他的原子结构理论。 助下完成了他的原子结构理论。玻尔一直坚持 量子论这块阵地， 量子论这块阵地，成为这场物理学革命中的风 云人物以及这场革命的主力部队—哥本哈根学 云人物以及这场革命的主力部队 哥本哈根学 派的领导人。 派的领导人。
1.2 “测不准关系”及其争论 测不准关系”
海森堡不确定性原理
对易： 对易： 不对易： 不对易：
[ A, B] = AB − BA = 0
[ A, B] = AB − BA = iℏ
h ∆A⋅ ∆B ≥ 2
(共轭力学量) 共轭力学量)
海森堡不确定性(测不准)原理： 海森堡不确定性(测不准)原理：
h (ℏ = ) 2π
Niels Bohr (1885-1962) The Nobel Prize in Physics 1922 "for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them" 尼尔斯·玻尔 丹麦著名物理学家， 尼尔斯 玻尔 ： 丹麦著名物理学家，玻尔研究 所创始人 哥本哈根学派创始人， 哥本哈根学派创始人，量子力学奠基人之一 丹麦国家队守门员
狄 拉 克
泡 利
居里夫人
朗之万
爱因斯坦
1930年第六届索尔威会议 1930年第六届索尔威会议
玻 尔
上帝会掷骰子么？ 上帝会掷骰子么？
1.1波函数的统计解释及其争论 1.1波函数的统计解释及其争论
1. 波动方程中的所谓波究竞是什么? 波动方程中的所谓波究竞是什么? 薛定谔本人认为，它就是一种物质波， 2. 薛定谔本人认为，它就是一种物质波， 而其粒子性只是波的某种密集， 而其粒子性只是波的某种密集，即‘波 包”。 玻恩则认为，电子的粒子性是基本的， 3. 玻恩则认为，电子的粒子性是基本的， 它的波函数表征的是电子这种粒子在某 时某地出现的几率。 时某地出现的几率。
上帝是不掷骰子的！ 上帝是不掷骰子的！
1.爱因斯坦、德布罗依和薛定谔等人不同意 1.爱因斯坦、德布罗依和薛定谔等人不同意 爱因斯坦 哥本哈根学派的观点， 哥本哈根学派的观点，认为哥本哈根学派 对量子力学的解释是不完备的。 对量子力学的解释是不完备的。 2.爱因斯坦反对几率解释， 爱因斯坦反对几率解释 2.爱因斯坦反对几率解释，认为它不能构成 真正的自然观，上帝是不掷骰子的。 真正的自然观，上帝是不掷骰子的。他始 终认为统计性的量子力学是不完备的， 终认为统计性的量子力学是不完备的，而 互补原理是一种“绥靖哲学” 互补原理是一种“绥靖哲学”。 3.爱出斯坦 玻尔之间的争论持续了半个世 爱出斯坦与 3.爱出斯坦与玻尔之间的争论持续了半个世 直到他们本人各自去世也没有完结。 纪，直到他们本人各自去世也没有完结。
h ∆E ⋅ ∆t ≥ 4π
玻尔互补原理与观测概念之认定
1. 玻尔进一步提出了量子力学的互补思想：两个量， 玻尔进一步提出了量子力学的互补思想：两个量， 进一步提出了量子力学的互补思想 在测量其中一个量时妨碍了同时对另一个量的测量 精度，那么这两个量就是互补的。 精度，那么这两个量就是互补的。 2. 互补原理：两个互斥的方面有时互相补充的，必须 互补原理：两个互斥的方面有时互相补充的， 同时兼顾，二者共同构成对同一客体的完备描述。 同时兼顾，二者共同构成对同一客体的完备描述。 3. 波粒二重性： 波粒二重性： 4. 非经典粒子，非经典波 非经典粒子， 5. 微观客体运动在不同实验安排下，呈现于宏观仪器 微观客体运动在不同实验安排下， 上的不同图象 6. 人们没办法，才做一个近似的，唯象的，互相补充 人们没办法，才做一个近似的，唯象的， 的描述。 的描述。
爱因斯坦等物理学家的质疑
哥本哈根学派的观点，引起了爱因斯坦， 哥本哈根学派的观点，引起了爱因斯坦，薛 定 德布罗意等一些著名的物理学家的质疑， 谔，德布罗意等一些著名的物理学家的质疑， 其中以爱因斯坦的观点最具代表性。 其中以爱因斯坦的观点最具代表性。 爱因斯坦的观点： 爱因斯坦的观点： 1、坚持完全的因果性，对统计因果律持有异 、坚持完全的因果性， 议; 2、对观察到的是“物理实在”，而非“客观 、对观察到的是“物理实在” 而非“ 实在”的观点持有异议， 实在”的观点持有异议，他曾说过一句充分表 达内心信念的名言： 你相信掷骰子的上帝， 达内心信念的名言：“你相信掷骰子的上帝， 我却相信客观存在的世界中的完备定律和秩 序。”
波函数的统Hale Waihona Puke Baidu解释
某一时刻出现在某点附近体积元dV中的粒子的概率， 某一时刻出现在某点附近体积元dV中的粒子的概率，与波 dV中的粒子的概率 函数模的平方成正比。 函数模的平方成正比。
dW = Ψ ( x , y , z , t ) dV
2
概率密度
dW / dV
波函数Ψ( 的统计解释(哥本哈根解释) 波函数Ψ(x,y,z,t)的统计解释(哥本哈根解释)：波函数 模的平方代表某时刻t在空间某点(x,y,z) (x,y,z)附近单位体积内 模的平方代表某时刻t在空间某点(x,y,z)附近单位体积内 发现粒子的概率， 代表概率密度。 发现粒子的概率，即|Ψ| 2 代表概率密度。 波函数的统计意义是波恩于1926年提出的。由于波恩在量 波函数的统计意义是波恩于1926年提出的。 1926年提出的 子力学所作的基础研究，特别是波函数的统计解释， 子力学所作的基础研究，特别是波函数的统计解释，他与 博特共享了1954年的诺贝尔物理学奖。 1954年的诺贝尔物理学奖 博特共享了1954年的诺贝尔物理学奖。
玻尔研究所（ 玻尔研究所（1920——） ）
哥本哈根学派的建立
Bohr
Copenhagen Conference 1929
主要成员
沃尔夫刚·泡利 (Wolfgang Pauli) 沃尔夫刚 泡利 1945 Nobel Prize
沃纳·海森堡 沃纳 海森堡(Werner Heisenberg) 海森堡 1932 Nobel prize
哥本哈根解释
玻尔的互补性原理 得到玻恩 的互补性原理， 玻恩、 1. 玻尔的互补性原理，得到玻恩、泡利 和狄拉克等哥本哈根学派成员的支持 和狄拉克等哥本哈根学派成员的支持 1932年 诺意曼在哥本哈根观点的 2. 1932年冯·诺意曼在哥本哈根观点的 基础上形成了完备性定理和测量定理。 基础上形成了完备性定理和测量定理。 3. 哥本哈根学派在解释量子现象和基本 理论的同时， 理论的同时，还散发了一系列哲学和意 识形态方面的观点，他们认为， 识形态方面的观点，他们认为，量子力 学对微观世界的描述， 学对微观世界的描述，无论从科学还是 哲学的角度来看，都是十分完备的。 哲学的角度来看，都是十分完备的。