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什么是波米亚力学和导波理论?

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伦纳德·凯利拥有物理学学士学位,辅修数学。他热爱学术界,并不断努力探索。

Bohmian力学

问一群科学家量子力学到底是什么意思,你肯定会发现不同意见。迄今为止,对这一话题的许多不同解释都让科学家们无法测试和排除潜在的选项。这就是为什么在我听说了波西米亚力学之后,我便选择了这一解释。那么,它是如何说服我的呢?

导波

许多不同意量子力学复杂而矛盾的结果的人开始寻找隐藏的变量,当这些变量与经典力学结合时,就可以解释量子物理学的所有怪异之处。大卫·玻姆对隐藏变量的研究始于1951年,当时他用热力学证明了一个系统的不完整知识导致人们去寻找隐藏变量。到1952年,他已经全面发展了自己的理论,并将其命名为“隐藏变量的量子理论”,后来被称为波希米亚力学。

在其中,粒子确实有波函数,波函数不一定是物理的,但却是真实的,因为它们指引着粒子的方向。它本质上给粒子一个量子势,所以决定论又回来了,因为如果我们知道波动函数,我们就可以向前投射,就像经典力学一样。所以,这是一个很大的优势。现实似乎是确定的,如此多的科学工作基于这样的直觉,那么为什么量子力学要有任何不同呢?

根据玻姆的说法,这不是,但似乎是因为隐藏的变量掩盖了粒子的真实位置,这是因为不确定性原理。然而,它违反了牛顿物理学…表面上,但记住,这样的领域是保留给经典的土地。如果没有这种违背,解释光路变化等现象就变得毫无意义。

该理论还能解释其他传统量子力学无法解释的东西,包括不确定性原理、概率函数、立场,以及困扰量子力学近100年的恼人测量问题(Ananthaswamy 149- 150,154;Smolin 98, 116 - 7)。

在没有意识到的情况下,玻姆的“工作”又回到了德布罗意1927年提出的领航波浪的想法。在这种情况下,不存在粒子/波二象性,而是一种共存,每一种在任何时候都是同样真实的。波函数现在也带有一个引导函数,显示粒子的运动方式。有趣的是,粒子的目标是最高振幅,称为最陡上升定律。

原因很复杂,但这与玻恩法则有关,即在给定位置被发现的概率与波函数的平方成正比。这导致波上的低点在平方后突然变成正极。

虽然玻姆的工作更加精炼和完善,但它与先验的关系现在使该理论被称为玻姆-德-布罗意理论。玻姆的理论确实有一些重要的不同之处,比如指导方程采用了不同的形式,最陡上升定律被重新解释为牛顿运动定律(加速度导致一个力将粒子移动到波函数的最高点)的变化。

早在1927年,这个理论就因为试图恢复量子力学的现实主义观点而被关闭了,这在当时是不可想象的。它使量子力学成为一个确定性理论波函数永远不会崩溃。此外,它颠覆了当时杰出的量子物理学家的工作,因此受到了抑制。现在,你肯定会问,这些波西米亚机制是否比标准的哥本哈根解释更容易被接受。有任何证据表明这项工作甚至引起了这样的争论吗?(aanathaswamy 155 - 6;Smolin 97 - 101, 109 - 110)

证明自己的价值

2006年,伊夫·库德(Yves Couder)和伊曼纽尔·福特(Emmanuel Fort)用硅胶进行了一次油滴实验。油会振动,但低于法拉第阈值,这意味着没有表面波产生。现在,一个大约一毫米大小的小水滴落在这上面,它并没有被大桶吸收,而是似乎沿着水面漂浮,因为它处理的是微小的水平波分量,通常在水面以下。然而,落差施加的压力使这些组件现在成为一个因素,因此落差漂浮在上面。

粒子是由波引导的,有点像引航波的概念。但我们想看到的是其中的量子成分,所以进入双缝实验。一个有两个狭缝的屏障被放置在表面,滴入系统。当然,跌落只会沿着一条路径进行,但另一边的波会相互作用,记录下跌落的所有位置后,就会产生干涉图样!粒子有了波的结果!然而,后续的实验未能复制这个结果。这可能是因为最初的实验只进行了75次,或者可能是一些实验者不知道的“环境影响”在起作用(Ananthaswamy 157-9)。

那么我们为什么要对波希米亚力学有信心呢?它为常见的量子问题提供了更好的解决方案。例如,它解释了不确定性原理,因为初始信息不完整导致随着未来的发展叠加不确定性。波函数的坍缩并不完全是字面意义上的,因为我们只接收到一个函数,而其他函数则指向别处。因此,测量我们的状态不再引起因果头痛,因为只是我们发现了它已经存在的状态。这是一种坍缩,只是不是物理上的坍缩,而是概率路径被消除的坍缩,直到我们发现了粒子,我们才知道。

由于波的相互作用,外部影响显然可以影响那条路径,然后我们可以回溯它的轨迹,以找到更多的信息。正是这种模糊程度真正解释了不确定性原理,粒子在哪被发现的概率也被考虑在内。事实上,如果我们在波西米亚力学下运行足够多的粒子,我们就能得出波恩法则,量子力学的一个标志,而这个结果与我最初的设置无关!虽然这样我们就能达到量子平衡,波西米亚力学与传统量子力学相匹配(Ananthaswamy 164-5;Smolin 98, 117 - 120)。

那薛定谔的猫呢?这是一个最受欢迎的思想实验,展示了量子的奇妙之处。通过导频波的思想,我们可以得到一个与现有信息相关的给定原子构型。每个原子在任何时刻都有一个空间坐标,所以我们需要每个原子的x, y, z信息,这样累积的总信息是原子数量的3倍。

这将是一个巨大的数字,但导频允许这个数字,因为每个原子在给定的时刻有一个确定的位置,不像传统的量子力学。但由于每个粒子都在一个给定的位置,所以在构型空间中,波也在运动。这与3D条件不同,而是一个高维区域,其中给定的值会导致给定的3D配置。一旦所有这些可能配置的干扰结束,我们就会得到一个特定的值,这意味着猫的不确定性现在已经从我们接触它的过程中消除了(Smolin 121-4)。

作品的引用

aanathaswamy,安尼尔。一次通过两扇门.兰登书屋,纽约,2018年。打印。149 - 50,154 - 9。

斯莫林,李。爱因斯坦的“未完成的革命.纽约企鹅出版社,2019年。打印。97-101,109-10,116-24。

©2021 Leonard Kelley

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