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量子物理若干基本问题

汪克林曹则贤 


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精装版

作者想讨论和探索的是在现有的物理理论框架下一些尚存的模糊不清的基本问题,并试图寻找相应的解决途径。

“十三五”国家重点出版物出版规划项目、国家出版基金项目——《量子科学出版工程(第一辑)》中的一册。


内容简介

  《量子物理若干基本问题》在认可量子物理已为实验所广泛肯定的前提下,对一些迄今尚未被完全理解的基本问题展开深入讨论,包括粒子的颤动问题、EPR佯谬、连续谱的发散问题、测量原理,以及时间的标度问题,等等。尽管Dirac、Schrodinger、Einstein等一干量子力学创始人对相关问题给出过精辟的分析,但是因为问题的提出是在量子理论发展的初期,相关讨论难免带有经典思维的痕迹,会影响对这些问题的理解与判断。《量子物理若干基本问题》针对上述若干量子物理基本问题基于当前的量子力学知识给予了系统的再思考。
  《量子物理若干基本问题》可供大学物理专业本科生、研究生和相关研究人员参考。

作者简介

汪克林,1934年生,1956年毕业于北京大学物理系理论物理专业,中国科学技术大学物理学院退休教授、博导,曾任中国物理学会教学委员会委员,出版《高等量子力学》(科学出版社)、《多体物理——相干态正交化方法及其应用》(中国科学技术大学出版社)等著作。曹则贤,1966年生,1987年毕业于中国科学技术大学物理系,1997年在德国Kaiserslautern大学物理系获得博士学位,1998年起在中国科学院物理研究所工作,国家杰出青年基金获得者,CCTV《加油向未来》科学顾问,出版《物理学咬文嚼字》(四卷本)等著作。


前言/序言

  在量子力学建立初期,物理学家对量子理论持有不同的看法,有过激烈的争论.Einstein认为量子理论的出发点违背科学的决定论.物理系统在一定状态下的物理量的值竟然呈现概率分布,这是不可接受的.Dirac在他的《量子力学原理》一书中回答了这一疑问,认为在经典物理中状态是由一组物理量的数值来表征的,而在量子理论中状态由态矢来表征.科学的决定论在量子理论中指的是态矢遵守确定的演化规律,从这个意义上来讲,物理系统状态的演化规律是确定的,量子理论符合科学的决定论,
  在Einstein关于量子理论存在不自洽的看法中有一个备受瞩目的EPR问题:“一个物理系统分离成两个子系统时,由于此系统内存在量子理论认为的纠缠,因此对一个子系统的定域测量会驾驭另一个子系统的状态,这种超距的影响是违背因果律的,所以量子理论是不自洽的.”对于这一问题至今没有人给出过正面的回答,还没有谁真的做过实验对这一命题的真伪作出判断.从量子理论本身来看,它的测量原理只对物理系统的整体测量做了论断,对于系统之子系统的定域测量,量子理论的测量原理没有做过论述,遑论判定一个子系统的定域测量是否会驾驭另一子系统了.
  除了像EPR悖论这样的尖锐问题外,量子理论中还有一些值得我们深思的问题.例如,任一个保守的物理系统都具有一组完备的能量本征态集,即定态集,并且有些系统(例如氢原子、谐振子)的定态集之具体数学表达式亦已经得到.有些系统的定态集之具体数学表达式尚未求得,但理论上可以肯定其存在,原则上总可以用数值求得.然而一个物理系统处于自由状态时虽能求得平面波形式的定态解,这个定态解形式上似乎亦是能量的本征态,但它并不是真实物理状态,这是一个长期以来被忽视的量子理论中不自洽的例子.我们要问:这一事实是意味着每一个保守的物理系统都具有物理的定态集这一规律不成立,还是自由状态就不是一个为量子理论所容许的物理状态?
  在目前的物理理论中,另一个值得深思的问题是,不同频率的光子在现有理论中是被等权地对待的。初看起来这似乎是合理的,但当考虑到ω→0和ω→∞。这两个极端的、在物理上无意义的光子亦将被包含进来并被等权地对待时,显然这样的处理是不合理的。这一不合理处其实人们过去已经注意到了,所以发展出了重整化理论加以弥补,我们可否设想,从一开始就不采取那种不合理的处理方法,而改从另一个更为合理的依据出发来处理这类问题,从而无需后来再行弥补呢?
  上面列举了物理理论中存在的一些还不完全明了的问题,它们是否有答案以及如何才能找到令人信服的答案是作者试图去努力探索的,希望能引起同行的注意和讨论,此外我们要说的是,这些问题和我们对物理世界的一些基本认识有密切关联,本书中提到的不论是Dirac粒子的颤动问题还是EPR佯谬都会牵涉到另外一些基本物理问题,甚至会引起对时空概念的进一步思考。
  最后要强调的是,我们在这里没有对物理理论中的任何一个基本规律提出质疑,我们想讨论和探索的是在现有理论框架下一些尚存的模糊不清的基本问题,并试图寻找相应的解决途径。
  本书由作者之一汪克林基于过去多年在量子力学的教学与研究实践中积累的对相关问题的思考撰写而成,另一位作者曹则贤参与了部分讨论并校阅了书稿。