2022-2023学年高二物理竞赛课件：量子物理导论

量子物理导论量子物理导论“粒子的位置测定得越精确，它的动量就知道得越不精确，反之亦然。”

——海森伯，1927年

薛定谔离开哥本哈根后，玻尔和海森伯继续深入地讨论了这些问题。在他们看来，电子有时象粒子，有时象波的表现仍然是一个严重的亟需解决的佯谬。“就象一位从某种溶液中一点一点地浓缩他的毒物的化学家那样”，海森伯和玻尔不断尝试着“浓缩这种佯谬的毒性”，他们渴望知道大自然是怎样避免矛盾的。夜以继日的讨论，以及彼此之间的意见不一使他们都彻底累坏了。1927年2月中旬，玻尔决定到挪威去滑雪，好让彼此的精神都放松一下。这个决定很快被证明是十分明智的，因为不久之后，海森伯便发现了不确定关系，而玻尔也在挪威大峡谷“找到”了互补原理。

玻尔与海森伯在讨论海森伯发现，量子力学对基于经典力学的那些物理概念，如位置和速度，施加了一种应用限制。人们不再能同时谈论电子的位置和速度，因为它们不能以任意精度被同时测定，并且这两个量的不确定度的乘积将大于普朗克常数除以粒子的质量。这一关系后来被称为海森伯不确定关系。有趣的是，泡利在1926年10月致海森伯的信中曾预先给出了一个更通俗的陈述，他说，“一个人可以用p眼来看世界，也可以用q眼来看世界，但是当他睁开双眼时，他就会头昏眼花了。根据海森伯的看法，利用量子力学中的波函数所表示的电子态不允许人们赋予电子以确定的性质，如位置、动量等等。人们所能做的仅仅是谈论几率，即在适当的实验条件下于某个位置找到电子的几率，或发现电子的速度为某一值的几率。

四、粒子和波是互补的“一些经典概念的任何一种确定的应用，都会预先排除另外一些经典概念的同时应用，而这另外一些概念在其他方面却是阐明现象所同样必需的。”

——玻尔，1929年

玻尔认为，对微观现象的说明必须利用互补性思想，粒子图像和波动图像是对同一个微观客体的两种互补描述。具体地说，用不同实验装置得到的关于微观客体的资料可以详尽无疑地概括关于微观客体的一切可设想的知识，但是，当企图把这些资料结合成单独一种图像时它们却显得是相互矛盾的。于是，任何一幅单独的经典实在图像，如粒子或波，都无法提供关于微观现象的详尽说明，人们只能用互补的经典图像来提供这种完备的说明。如果单独使用粒子图像或波动图像，它们的应用必将受到限制，这种限制由海森伯的不确定关系所精确表征。玻尔的互补板凳1927年9月，在意大利科摩举行的纪念伏打逝世一百周年的国际物理学会议上，玻尔首次公开阐述了他的互补性思想。同年10月，在布鲁塞尔召开的第五届索尔维会议上，互补性思想开始被大多数物理学家所赞同和接受。玻尔的挚友艾伦菲斯特后来回忆说，“玻尔完全超越了每一个人，他起初根本没有被理解，……然后就一步一步地击败了每一个人。”

五、谁坍缩了波函数？狄拉克：“自然将随意选择它喜欢的一个分支，因为量子力学理论给出的唯一信息只是选择任一分支的几率。”玻尔：“完全理解……整个问题就在于，通过实验，我们引入了某种不允许继续进行的东西。海森伯：“我不同意这一点……我宁愿说，观察者本人进行选择，因为直到做出了观察的那一时刻，选择才成为一种物理实在。”

——第五届索尔维会议上的讨论，1927年10月狄拉克认为，波函数坍缩是自然做出的选择，而海森伯则认为它是观察者选择的结果。玻尔似乎同意狄拉克的观点，然而他更关心的是量子力学的普遍的互补性特征，他尤其强调了关于物理量的定义和观察的互补性质。在玻尔看来，离开观察人们便不能谈论任何东西，这