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量子概率性

2018-03-04

在薛定谔建立薛定谔方程后,对波函数并没有准确的认识。最初,物质的波函数被理解成物质的某种实际结构,以电子为例,电子是由三维空间连续分布的波包构成。显然,这种观点在解释物质的稳定性及表现为粒子性的实验中遇到了困难。物质既能表现出粒子性又能表现出波动性,那到底应该怎么理解物质?我们先通过一个例子体会一下物质的这种波粒二象性。如图1 所示的光子双缝干涉实验,入射光子流非常微弱,弱到每次几乎只有一个光子通过缝。当少量的光子通过双缝时,记录屏上只是一些分立的光点,这表明光子具有粒子属性。当记录屏上累计足够多的光子时,干涉条纹显现出来了,此干涉条纹并不是由大量光子同时聚集产生的,这表明单个光子具有波动属性。


 量子概率性.jpg

图1. 不同光子计数情况下的光子干涉图像。


物质的波粒二象性(物质波)与我们传统观念和认识大相径庭,所以关于物质波的解释也注定是非传统的,会带给我们思想和观念上的大变革。1926 年,玻恩在运用薛定谔方程研究粒子散射问题时提出了波函数的概率解释[1]。他认为波函数并不代表物质的结构,而是与物质在空间上的概率分布相关。波函数本身没有物理意义,但波函数的模方代表粒子在某时某处出现的概率,即image.png ,此亦被称为玻恩规则。


玻恩关于波函数的解释可以很好的描述物质的波粒二象性及各类实验,它为量子理论的数学形式与实验测量之间建立了直接关系,因此作为测量假设而成为量子力学的基本假设之一。但为什么演化是确定的波函数在测量时变成了概率的结果?波函数瞬时塌缩的动力学过程是什么样的?玻恩的解释中并没有进一步的说明。以至于后来不断有人尝试从更基本的原理出发得出玻恩规则。另一方面,任何假设都需要经得起实验的检验,最近有学者利用量子多阶干涉的实验来检验玻恩规则。2010年,Sinha 等人[2] 在《科学》杂志上首先报道了在光学体系中使用三缝干涉的实验来检验玻恩规则。


参考文献:

[1 ]M. Born, Zur Quantenmechanik der Stoßvorgange . Z. Phys. 37 , 863 (1926).

[2] U. Sinha, C. Couteau, T. Jennewein, R. Laflamme, and G. Weihs, Ruling Out Multi-Order Interference in Quantum Mechanics. Science 329, 418 (2010).

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