淺談經典理論與量子力學的聯系

摘 要：文章首先回顧了量子力學發展史上的幾個問題，簡要說明了“EPR佯謬”和“薛定諤的貓”的主要內容，然后通過“幽靈成像”實驗簡單介紹了近幾年科學家在研究經典理論與量子理論關系時所付出的努力，繼而通過介紹“量子世界中的歐姆定律”和“光合作用與量子力學的聯系”說明了量子力學與我們生活的聯系。最后，剖析總結量子力學現今仍存在的問題，并得到量子力學亟待發展這一結論。

關鍵詞：經典理論 量子力學 聯系

中圖分類號：O413.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（a）-0143-02

量子力學于20世紀早期建立以來，經過飛速的發展，逐漸成為現代物理學科中不可分割的一部分。量子力學是現代量子理論的核心，它的發展不僅關乎人類的物質文明，還使人們對量子世界的認識有了革命性的進展[1]。

但是，量子力學并不是一個完備的理論，其體系中還存在許多問題，特別是微觀與宏觀，即經典理論與量子力學的聯系。為解決這些迷惑，歷史上相關科學家提出了很多實驗與理論。該文旨在以量子力學發展史上提出的幾個實驗為例，對其進行簡單分析，以展示經典理論與量子力學的聯系。

1 問題的提出

1935年3月，愛因斯坦等人在EPR論文中提出了“量子糾纏態”的概念，所謂的“量子糾纏態”是以兩個及以上粒子為對象的。在某種意義上，“量子糾纏態”可以理解為是把迭加態應用于兩個及以上的粒子。若存在兩個處于“量子糾纏態”的粒子，那這兩個粒子一定是相互關聯的，用量子力學的知識去理解，只要人們不去探測，那么每個粒子的狀態都不能夠確定。但是，假如同時使這兩個粒子保持某一時刻的狀態不變，也就是說，使兩個粒子的迭加態在一瞬間坍縮，粒子1這時會保持一個狀態不再發生變化，根據守恒定律，粒子2將會處于一個與粒子1狀態相對應的狀態。如果二者相距非常遙遠，又不存在超距作用的話，是不可能在一瞬間實現兩個粒子的相互通信的。但超距作用與當今很多理論是相悖的，于是，這里就形成了佯謬，即“EPR佯謬”。

同年，薛定諤提出了一個實驗，后人稱之為“薛定諤的貓”。設想把一只貓關在盒子里，盒中有一個不受貓直接干擾的裝置，這套裝置是由其中的原子衰變進行觸發，若原子衰變，裝置會被觸發，貓會立即死去。于是，量子力學中的原子核衰變間接決定了經典理論中貓的生死。由量子力學可知，原子核應該處于一種迭加態，這種迭加態是由“衰變”和“不衰變”兩個狀態形成的，那么貓應該也是處在一種迭加態，這種迭加態應該是由“死”與“生”兩個狀態形成的，貓的生死不再是一個客觀存在，而是依賴于觀察者的觀測。顯然，這與常理是相悖的[2]。

這兩個佯謬的根源是相同的，都是經典理論與量子理論之間的關系。

2 近代研究進展

2.1 驗證量子糾纏的存在

華裔物理學家Yanhua Shih[3]曾做過一個被稱為“幽靈成像”的實驗，其實驗過程及現象大致可以描述為：假設存在一個糾纏光源，這個光源可以發出兩種互為糾纏的光子，通過偏振器使兩種光子相互分離，令第一束光子通過一個狹縫，第二束不處理，然后觀察兩束光的投影，結果發現第二束光的投影形狀與第一束光通過的狹縫形狀完全相同。

人們發現，如果僅僅使用經典理論，實驗現象是無法解釋的，必須應用量子理論，才能解釋“幽靈成像”的現象。這個實驗也恰好驗證了“量子糾纏”現象的存在。

2.2 量子世界中的歐姆定律

歐姆定律是由德國物理學家Ohm于19世紀早期提出來的，它是一種基于觀察材料的電學傳輸性質得到的經驗定律，其內容是：在同一電路中，導體中的電流跟導體兩端所加的電壓成正比，跟導體自身電阻成反比，即 （U指導體兩端電壓；R指導體電阻；I指通過導體的電流）。

18世紀二、三十年代，人們認為經典方法在宏觀領域是正確的，但是在微觀領域將會被打破。Landauer公式給出了納米線電阻的計算方法，即（h為普朗克常量；e為電子電量；N為橫波模式數量）；而在宏觀中，（為材料的密度；l為樣品的長度；s為樣品的橫截面積）。由此發現，在宏觀領域，樣品的電阻是隨著樣品的長度增加而增加的，而在微觀領域，樣品的電阻與樣品的長度沒有關系。

Weber[4]等人制備了原子尺度的納米線并進行觀察，實驗發現，在微觀領域，歐姆定律也是滿足的。Ferry[5]認為樣品的電阻是由多種機理所導致的，而他最后得到的結果正是由于多種機理的相互疊加。經過分析，他認為歐姆定律何時開始生效取決于納米線中電子耗散的力度，力度越大說明開始生效時的尺度越小。但這也同時引發了另一個問題的思考：低溫條件下，歐姆定律是仍然成立的，也就是說經典理論仍然成立，但往往是希望在低溫下研究比較純粹的量子效應。低溫條件下歐姆定律的成立要求在進行實驗研究時，必須花費更多的精力來使得經典理論與量子理論分離開。

2.3 生活中的量子力學——光合作用與量子力學

Scholes等[6]從兩種不同的海藻中提取出了一種名為捕光色素復合體的化學物質，并在其正常的生活條件下，通過二維電子光譜術對其作用機理進行了分析研究。他們首先使用了飛秒激光脈沖模擬太陽光來激發這些蛋白，發現了會長時間存在的量子狀態。也就是說，這些蛋白吸收的光能能夠在同一時刻存在于不同地點，而這實際上是一種量子迭加態。由此可見，量子力學與光合作用是有很大聯系的。

3 結語

從近幾年來量子力學的基本問題和相關的實驗研究可以看出，雖然經典理論與量子理論的聯系仍然是一個懸而未決的問題，但是當代科學家已經能夠通過各種精妙的實驗逐步解決歷史遺留的一個個謎團，使得微觀領域的單個量子的測量與控制成為可能，并且積極研究宏觀現象的微觀本質，將生活與量子力學逐漸的聯系起來。對于“經典理論與量子力學的聯系”這一專題還需要進行不斷研究，使量子力學得到進一步完善與發展。

參考文獻

[1]孫昌璞.量子力學若干基本問題研究的新進展[J].物理，2001，30（5）：310-316.

[2]孫昌璞.經典與量子邊界上的“薛定諤貓”[J].科學，2001（3）：2，7-11.

[3]Shih Y. The Physics of Ghost Imaging[J].2008.

[4]Weber B， Mahapatra S， Ryu H， et al. Ohm's law survives to the atomic scale[J].Science，2012，335（6064）：64-67.

[5]Ferry D K. Ohm's Law in a Quantum World[J]. Science，2012，335（6064）：45-46.

[6]Collini E， Wong C Y， Wilk K E， et al. Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature. Nature[J]. Nature，2010，463（7281）：644-647.