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量子测量与量子退相干——彻底揭开量子力学的神秘面纱  

2011-02-15 11:34:03|  分类: 量子力学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 作者天津滨海新区石油研究院 李新民

        摘要:本文率先从客观现象 ,以实在论,无想象和无任何假设的情况下,对科学第一困惑实验——光和电子双缝实验给出了客观实际的解读。由于光和热辐射波等各种电磁波都具有自由膨胀的性质,在可见光中夹杂着不同频率的不可见光;各种频率的光都是电磁波,都是随时间自由膨胀的。混合光为什么容易发散,就是因为混合光中不可见光膨胀的结果。单色光中其他频率的光很少,光束的膨胀很小,因此单色光不容易发散。从电子枪发射的电子束或从粒子源发射的粒子都是热电子或热粒子,它们都带有一定的电磁波,当电子束中的电磁波的膨胀力与环境电磁波膨胀力之差大于某一值时,电子束就开始向四周膨胀。电子束从窄缝通过,环境的电磁波密度突然减低或不存在,电子束膨胀力突然变大,电子束通过窄缝发生突然的偏折。 本文对量子力学的解读是: 量子力学是将有定域性的的客观世界转化为非定域性的波动的函数图像和波函数理论来进行描写的。这是一种变换方法的描写,并没有改变客观世界的本质,也不代表客观世界就有这样的性质。换句话说,量子力学是将经典波动理论同德布罗意波相结合而形成的理论。将粒子赋予波动性是因为量子力学描述的需要,不是客观存在。 

关键词:双缝实验 量子力学 干涉 物质波  德布罗意波

       量子力学一方面取得巨大的成功,另一方面量子力学又困惑了科学界近100年,至今没有人能读懂和解读量子力学。量子力学所有困惑和难题主要是量子测量带来的,而对量子测量的困惑和无法解读又表现在光和电子的双缝实验上。也就是说真正要揭开量子力学的秘密,必须找到隐藏在光和电子双缝实验背后的物理机制。

一解读量子力学双缝实验

    在分析双缝实验之前,我们先来看看光和电子的单缝实验。图(1)光的干涉实验示意图,图(2)是光的衍射实验示意图,图(3)是光通过双缝后膨胀,光线向缝的四周偏折形成的干涉图像,图(4)是光的干涉示意图。

               

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衍射现象是一种折射现象(十一)

                                   图(2)

        由于光和热辐射波等各种电磁波都具有自由膨胀的性质,在可见光中夹杂着不同频率的不可见光;各种频率的光都是电磁波,都是随时间自由膨胀的。混合光为什么容易发散,就是因为混合光中不可见光膨胀的结果。单色光中其他频率的光很少,光束的膨胀很小,因此单色光不容易发散。从电子枪发射的电子束或从粒子源发射的粒子都是热电子或热粒子,它们都带有一定的电磁波,当电子束中的电磁波的膨胀力与环境电磁波膨胀力之差大于某一值时,电子束就开始向四周膨胀。电子束从窄缝通过,环境的电磁波密度突然减低或不存在,电子束膨胀力突然变大,电子束通过窄缝发生突然的偏折。在图(2)中,从光源S发出的光通过窄缝A-B,这束光有不同频率的可见光和热辐射波。这束光从S到k板的路程中也在体积膨胀,光束有微量的变粗。以K板为界光源这侧,从光源发出的光和热等不同频率的电磁波,已经将这侧区域的大部分空间充满了一定密度不同频率的电磁波;而K板的右侧没有电磁波。当从光源发出的光经过窄缝A-B后,通过窄缝光束的密度和K板右侧空间的电磁波密度差较大,且大于左侧。当光密度与环境电磁波密度之差达到一定值时,光束靠着自身的膨胀性质在窄缝A-B右侧向四周偏折,形成衍射的图像。如果把光源换成热电子枪,则图(2)变成电子单缝实验。一束从热电子枪发出的热电子,这束热电子辐射着很多热辐射波,使K板左侧较大的区域存在一定密度的热辐射波。当热电子束通过窄缝A-B后,K板的右侧空间不存在热辐射波,这样经过窄缝的电子束中热辐射波的密度与环境(K板右侧)之差远大于右侧,当电子束中的热辐射波密度与环境热辐射波密度之差达到一定值时,电子束就明显地向四周偏折。和电子的双缝实验如(图4)所示                                               

                                                                量子测量与量子退相干 - 李新民 - 物理学探索

                                                                                                        图(3)

光,没有干涉现象

        在图(4)中的光或电子双缝实验中,如果在K板右侧照射灯光,观察电子是从哪一个缝通过的,必然造成K板右侧区域空间的可见光和不可见光等电磁波密度增加,使得经过窄缝的光束或电子束中的电磁波密度与环境电磁波密度之差减小,使得光束内的不可见光膨胀力减小,使得电子束内的不可见光的膨胀力减小,致使膨胀力不能使光线或电子束发生偏折。当撤去灯光,K板右侧空间(环境)的电磁波密度降低或消失,这时通过双缝的光束或电子束中的电磁波密度与环境电磁波密度之差变大,使得光束或电子束中的电磁波膨胀力增大,使光线或电子射线向四周发生偏折,重新出现干涉现象,这就是消相干的本质。在图(3)中,黄线代表可见光,蓝线代表不可见光,则可见光被不可见光膨胀开了,形成向四周偏折的光线。

          在电子和光的双缝干涉实验中,从双缝射出的热电子或光子都伴随有一定的热辐射等电磁波,即从双缝射出一束温度高于(密度大于)周围环境热背景的热辐射等电磁波,这个温度高于(密度大于)周围环境热背景的热辐射等电磁波是有热传递性质的,因此,它就要向环境扩散,膨胀,这样双缝就发生干涉。当系统环境热辐射等电磁波的温度(密度)和双缝发出热辐射等电磁波的温度(密度)相差减小到某值时,即它们的密度差减小到某值时,干涉消失。如果我们观察干涉图像时,必须给系统照射一定的光,这样系统的热辐射等电磁波就有所增加,使得从双缝出来的粒子带的热辐射等电磁波和系统环境热辐射等电磁波密度差减少,扩散逐渐减小,干涉逐渐减弱,直到干涉消失;当我们撤掉照明光后,干涉会很快恢复。在固态量子器件中发现了不同类型的低频电荷,低频磁通和低频电流噪声等,它们都是电荷,磁通和电流带出的热辐射波或一定频率的电磁波。从以上分析得出:干涉消失是逐渐的,肯定会出现一定的包络宽度。法国Haroche小组1996年完成的腔QED退相干过程实验恰好证实这一点,这和量子力学正统诠释的哥本哈根学派,描述的经典仪器引起的坍缩是瞬间的相冲突。 量子测量和量子退相干是和空间电磁波的性质联系着的,对量子测量,量子退相干和空间本质的了解会极大地推动科学的发展和变革。

      最后对双缝实验的总结:在图(4)中,以K板为界,光源一侧为左侧,干涉一侧为右侧。

1 在K板左侧,由于做实验的灯光照明及光源S1和S2的原因,使得左侧空间区域环境光密度或电磁波密度远大于右侧;也使得从两光源到K板的光束中电磁波的密度或电子束中电磁波的密度与环境电磁波密度差不大,不容易使左侧的光束或电子束发散。

2  由于K板右侧几乎没有电磁波,当光束或电子束通过双缝,突然从K板左侧到达K板右侧,光束或电子束 中的电磁波膨胀力突然增大,就使得光线或电子射线向四周有很大的偏折。                                 

 3 当右侧加入一盏变光照明灯,调节灯的亮度就等于调节右侧空间区域的电磁波密度。当逐渐增加右侧区域电磁波的密度,干涉图像由清晰发展到模糊最后到干涉图像消失。关上灯,干涉图像立即出现。

4光束和电子束中的电磁波密度必须和环境的电磁波密度之差大于某一个值之后才能出现清晰的干涉图像。

5实质上,光的干涉图像是光强度(电磁波密度)的重新分布图像;电子的干涉图像是电子的两缝电子随机分布的叠加,即双缝的电子束不发生干涉。

电子波动和光线波动都是向前运动的一种运动,但他们不是一种波动向前的运动,电子和光运动有以下不同和相同

1:在实验中,电子运动是直线运动,不是波动运动;而在实际(自然环境)中,电子是绕原子核的轨道运动。光线的光子膨胀的直线运动,也不是一条波动光线。

2:在自然界,电子是周期的轨道运动。在理论中,德布罗意波的实质是:将周期的轨道运动转换成简谐波或波函数来描述,将没有物质信息的波函数转换成带有物质质量,动量和能量等物理量的波函数。这种转换在初等力学中早已存在,《新概念物理教程—力学》中,早已把势能或重力的周期变化转换为简谐波进行描述。电子波的图像实质是理论图像,客观不存在这种图像。光的波动图像也是理论图像,更实质的是:光子周期膨胀变化的图像,不是光运动的运动图像。

二解读量子力学

       在经典力学中,热能是位置的函数,在一维情况下,势能函数可以在平衡点,用泰勒数展开,最后化成一个简运动图象和函数来加以描述,通过德布罗意关系又将经典的热能波动图象,转化为粒子的振动函数,并证明波函数就是粒子的振动函数,详细请参看新概念物理教程—力学(第二版)(作者:赵凯华 罗蔚茵 ){出版社:高等教育出版社} 。书中介绍了:以抛物线振荡的球,其势能可以转变成简谐波函数来描述,即周期振荡的球不是运动的波,这个波是来回振荡的球。光线是直线向前运动的,不是波动前进的。 从光源发出的光子,先发出的先膨胀,其膨胀力先衰减;后发出的光子后膨胀,其膨胀力后衰减。从光源发出的第一个光子它的膨胀力作用只能传递到前面第N个光子,接着从光源发出的第二个光子膨胀力只能到面第N-1个光子  ,  这是一个光子作用力距离随光线在空间周期振荡前进的图象。这种物理图象可以用正弦或余弦三角函数进行数学描述。当描述球面光时可用复三角函数描述,我们现在对光的波动描述这样的。由此我们得出结论:光波动的本质是光子膨胀力在光线前进中的周期波动的图象,不是光线运动的波动图象。光的波粒二象性的图象是:光的粒子性是指光是由光子组成的,光的波动性是指光子膨胀力随光线运动成周期变化的波动现象,而光的运动是直线前进不是周期波动前进。

实际上从光源发出的第二个光子膨胀力作用第一个光子,两个光子膨胀力的合力使第一个光子能作用到更远的光子,随着时间的进行,第一个光子后面有无数个从光源发出的光子这无数个光子膨胀力的合力作用第一个光子,使第一个光子的膨胀力传递非常远。据此我们得出结论:光源持续时间越长,光强度越大光的传播距离越远。本节最后我把光的性质归纳如下

1当光子的膨胀力大于CMB和基态能质对光子的阻尼力时,光是做加速运动;当光子膨胀力衰减到小于CMB和基态能质对光子的阻尼力时,光做减速运动。

2光波动的本质是光子膨胀力在光线前进中的周期波动的图象,不是光线运动的波动图

3光源持续时间越长,光强度越大光的传播距离越远

 波是什么?电子波,地震波,水波,声波,光波,辐射波,引力波等一系列波都带表着什么?物理学对波的认识是和水的类比开始的,并产生的图像。波是存在的物理概念,还是对一类周期运动的概括?例如:单摆是摆锤的往复的周期运动,摆锤并不是一条摆动的波动线。简谐波就是可以化为三角函数的周期振动,简谐指的是三角函数的简谐性,只要是周期振动的线性运动都可以化为三角函数的简谐波函数来描写。客观世界不存在一条波动前进的波和轨迹,所有的波都是力,能量等物理量等周期变化的图像,不是运动的波动。水波是波幅向外的振荡传播,水波各质点并没有向四周前进,而是在上下摇曳。因此,简谐波是将周期运动的化为三角函数一类运动的总称。在经典力学中光的运动被化成简谐波来描写,光的运动是球对称的放射性的膨胀传播,不是波动前进。对波的测量实际上是对波的函数图像进行测量,即对波函数的理论图(纸)进行测量。我们知道波动是无法同时测量位置和波长的,要确定位置就要损失波长,要确定波长就无法确定位置,即在图纸上波是测不准的。由此我们得到两点:1波是理论存在,粒子是客观存在。2测不准是理论上测不准,跟现实没有关系。在光具有波粒二象性的启发下,法国物理学家德布罗意(1892~1987)在1924 年提出一个假说,指出波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括电子和质子、中子,都有波粒二象性.他把光子的动量与波长的关系式p=h/λ 推广到一切微观粒子上,指出:具有质量m 和速度v 的运动粒子也具有波动性,这种波的波长等于普朗克恒量h 跟粒子动量mv 的比.即λ= h/(mv).这个关系式后来就叫做德布罗意公式.前文指出:客观不存在波动现象,波动是理论图像不是客观物理图像。德布罗意波是将物质粒子的质量,动量和能量带入三角函数的简谐波函数来描写,即运用光子的膨胀能量和粒子的动能等同起来,即德布罗意动量关系,将粒子周期运动同简谐运动建立起关系,将粒子周期运动图像化为粒子受力,或能量的周期振动图像来描写。这样就给简谐波输入了质量,动量,能量等相关的物理量,这样带有德布罗意波物质信息的简谐波动力学就是量子力学。量子力学的几率波是粒子作用力或能量分布的振动图像。量子力学是通过德布罗意波进入微观世界的,她将微观周期运动图像转换为宏观的简谐振动图像来描写。由此我们可以得出,在量子力学中,波粒二象性可解释为:波是理论图象,粒子是客观存在。电子的双缝实验是多达20000个以上电子形成的随机概率分布图象,两个电子或波包相互干涉只能是势能或电场力的叠加,不可能是电子出现的概率叠加。在物理学中,力是可以叠加的,有相应的物理图象;而电子出现的概率怎样干涉,怎样叠加,没相应的物理图象,出现的次数可以干涉,很难想象。玻恩的波函数概率诠释无相应的物理图象,波函数是势能的振动函数,势能由电场力决定的,所以波函数也是力的振动函数,波函数的模的平方就应表示为电子受电场力的概率分布。因此,电子波等物质波客观不存在,只是理论存在,物质波就是将物质质量,能量和动量的物理量带入波函数形成的理论波。

       量子力学是将有定域性的的客观世界转化为非定域性的波动的函数图像和波函数理论来进行描写的。这是一种变换方法的描写,并没有改变客观世界的本质,也不代表客观世界就有这样的性质。换句话说,量子力学是将经典波动理论同德布罗意波相结合而形成的理论。将粒子赋予波动性是因为量子力学描述的需要,不是客观存在。正如玻尔所说的:“根本就不没有什么量子世界,仅仅只有一个抽象的量子物理描述。认为物理学的任务是发现自然是怎样的观点是错误的,物理学关心的是我们关于自然能说什么。的确不存在量子世界,量子世界是因函数转换而形成的假象。量子世界是由量子化引起的,量子化的实质是将光的动能同普朗克能量子;将粒子的动能同德布罗意波等同起来,再经过薛定谔方程来描述世界的。
       经典力学的机械波和电磁波的波函数具有相同的数学形式和结构,都是将复杂的运动图象化为简单的振动图象来描写,量子力学与经典波动不同的是用德布罗意波进行这样的转换的。用振动与波来描述世界虽然带来巨大方便和好处,但是不全面。不论是经典物理还是现代物理都还处在对世界的唯象描述上。电磁波理论是较成熟的理论,也是让人类进入信息化社会的主要理论,但它在实际的应用只是一些近似解。描写波的数学理论和实际存在偏差。量子力学方程是在一个理想化(绝对真空)空间的理想方程,并遵循时间反演不变性。量子力学的理想性还在于,它不管物质复杂的运动形式如何,也不管相互作用的本质原因,甚至有些物理概念可以不要,量子力学直管从物质微观简单的振动图象来获取信息的,而考虑其它因素。其效果如同听电视和看电视的差别,都能获得节目的信息,但效果有所不同,信息量少了很多。量子力学给人类社会带来的进步是不可估量的,如果只沉迷于量子成果中不能自拔,将世界都量子化,不再做量子之外更本质的追究将会严重阻碍科学的进步。量子力学不是客观的真实写照,而是探知客观的工具,更象数学。用量子波动理论来描述世界,必然存在“波粒二象性”,这是波的非可定域性决定的,这中波只能出现在数学中,只能出现在理论图像中,这种波自然界根本找不到。用量子力学去探知世界更本质的原因是得不到结果的,就是得到结果也是荒谬的。从另一方面讲,不管是现在还是将来,探索微观世界离不开量子力学,这是由它的特性决定的。在原子中,电子的运动根本无法测量,电子绕原子核一周用瞬间来形容都是比它长的多的时间,深层次更是如此。如果用经典的方法,我们永远被挡住微观世界之外,如果将世界全交给量子力学又是不客观的。

进一步阅读课参考以下键接文章

《光的本质和性质》http://188189189.blog.163.com/blog/static/13439143520110116243956/ 

   《波粒二象性的本质和象》 http://188189189.blog.163.com/blog/static/134391435201102103519429/    

  《  波的本质》   http://188189189.blog.163.com/blog/static/134391435201011111531636/

   《光的本质和光量子模型 》http://188189189.blog.163.com/blog/static/1343914352010021650151/

   《光的本质和模型 http://188189189.blog.163.com/blog/static/1343914352010023297873/

  《 真实的量子世界》 http://blog.51xuewen.com/lix258/article_27122.htm

   《 热的本质》 http://blog.51xuewen.com/lix258/article_22159.htm

   《能量是科学最模糊概念》  http://blog.51xuewen.com/lix258/article_41375.htm

  《  宇宙真相 》 http://blog.51xuewen.com/lix258/article_40884.htm

 《 结束量子力学诠释的混乱局面 》http://blog.51xuewen.com/lix258/article_34984.htm

   《 万有引力的本质和性质》 http://blog.51xuewen.com/lix258/article_33695.htm

  《谈谈量子测量难题 》 http://blog.51xuewen.com/lix258/article_29848.htm

 《 从这里走向科学的大统一》(一)http://sea3000.net/wenku/20101025095629.php

《从这里走向科学的大统一》(二)http://sea3000.net/wenku/20101025224140.php

  《 几个基本物理概念的本质》http://blog.51xuewen.com/lix258/article_22546.htm

《空间.能量&物质》http://sea3000.net/wenku/20091114230509.php

 

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