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系綜詮釋和量子力学

快捷方式: 差异相似杰卡德相似系数参考

系綜詮釋和量子力学之间的区别

系綜詮釋 vs. 量子力学

系综诠释是量子力学的一种诠释,也是一种最小诠释,即它提出最少的假设来表述量子力学。系综诠释有时也被称为「统计诠释」,其核心是馬克思·玻恩對於波函數給出的統計詮釋。玻恩因此基礎研究榮獲諾貝爾物理學獎。 系综诠释表明,量子態能夠描述系綜的統計性質,但量子態不一定能完備地描述單獨量子系統的性質,例如,單獨粒子。在這裏,系綜指的是,理論而言,無窮多個以相同方法製備而成的系統,而單獨系統只的是其中任何一個系統。阿爾伯特·愛因斯坦是系綜詮釋的著名支持者之一,他主張, 至今為止,系綜詮釋的最有力發言者當屬西門菲莎大學物理學教授,他撰寫的教科書《量子力學的一種現代發展》(Quantum Mechanics, a Modern Development)對於系綜詮釋有很詳細的說明。 與許多其他種詮釋不同,系綜詮釋並不試圖從任何決定性程序對於量子力學給出辯解或導引,它也不會給出任何關於量子現像真實內秉性質的說明,它只是一種對於量子態的詮釋方法。. 量子力学(quantum mechanics)是物理學的分支,主要描写微观的事物,与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱,许多物理学理论和科学,如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其它相关的學科,都是以其为基础。 19世紀末,人們發現舊有的經典理論無法解釋微观系统,於是經由物理學家的努力,在20世紀初創立量子力学,解釋了這些現象。量子力學從根本上改變人類對物質結構及其相互作用的理解。除透过广义相对论描写的引力外,迄今所有基本相互作用均可以在量子力学的框架内描述(量子场论)。 愛因斯坦可能是在科學文獻中最先給出術語「量子力學」的物理學者。.

之间系綜詮釋和量子力学相似

系綜詮釋和量子力学有(在联盟百科)9共同点: 哥本哈根詮釋玻恩定則相干性隱變量理論輻照度量子力学量子態雙縫實驗態向量

哥本哈根詮釋

哥本哈根詮釋(Copenhagen interpretation)是量子力學的一種詮釋。根據哥本哈根詮釋,在量子力學裏,量子系統的量子態,可以用波函數來描述,這是量子力學的一個關鍵特色,波函數是個數學函數,專門用來計算粒子在某位置或處於某種運動狀態的機率,測量的動作造成了波函數塌縮,原本的量子態機率地塌縮成一個測量所允許的量子態。 二十世紀早期,從一些關於小尺寸微觀物理的實驗裏,物理學家發現了很多新穎的量子現象。對於這些實驗結果,古典物理完全無法解釋。替而代之,物理學家提出了一些嶄新的理論。而這些理論能夠非常精確地解釋新發現的量子現象。但是,內嵌於這些經驗理論的,是一種關於小尺度真實世界的新模型。它們所給予的預測,常使物理學家覺得相當地反直覺。甚至它們的發現者都感受到極其驚訝。哥本哈根詮釋嘗試著,在實驗證據的範圍內,給予實驗結果和相關理論表述一個合理的解釋。換句話說,它試著回答一個問題:這些奇妙的實驗結果到底有什麼意義? 哥本哈根詮釋主要是由尼爾斯·波耳和維爾納·海森堡于1927年在哥本哈根合作研究时共同提出的。此詮釋延伸了由德国数学家、物理学家馬克斯·玻恩所提出的波函数的機率表述,之后发展为著名的不确定性原理。他們所提的詮釋嘗試要對一些量子力學所帶來的複雜問題提出回答,比如波粒二象性以及測量問題。此后,量子理论中的概率特性便不再是猜想,而是作为一条定律而存在了。量子论以及这条詮釋在整个自然科学以及哲学的发展和研究中都起着非常显著的作用。 哥本哈根詮釋給予了量子系統的量子行為一個精簡又易懂的解釋。1997年,在一場量子力學研討會上,舉行了一個關於詮釋論題的意向調查,根據這調查的結果,超過半數的物理學家對哥本哈根詮釋感到滿意;第二多的是多世界詮釋。雖然當前的傾向顯示出其它的詮釋也具有相當的競爭力,在20世紀期間,大多數的物理學家都願意接受哥本哈根詮釋。.

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玻恩定則

克斯·玻恩 在量子力學裏,玻恩定則是一個基礎公設。,是因原本提出這定則的物理學者馬克斯·玻恩而命名。它給定對量子系統做測量得到某種結果的概率,它與海森堡測不準原理將概率的概念引入量子力學,因此使得量子力學展現出其獨特的非決定性質。物理學者做實驗尚未發現任何違背玻恩定則的量子行為。 物理學者試圖從其它假定推導出玻恩定律,但結果都不具強而有力的說服力。例如,有些物理學者聲稱從多世界詮釋可以推導出玻恩定律,但他們給出的導引被批評為循環論證。對於玻恩定則的形式給出數學線索,但並沒有對於其概率行為顯示出物理曙光。 倚賴系統與環境之間的量子纏結引起的(環境輔助不變性,environment-assisted invariance)來推導出玻恩定則。在這裡,環境扮演了促使概率出現的關鍵角色。這也意味著祖瑞克的方法只適用於開放系統。不論如何,這是一種充滿想像力的點子,很具有未來發展的潛能。.

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相干性

在物理學裏,相干性(coherence)指的是,為了產生顯著的干涉現象,波所需具備的性質。更廣義地說,相干性描述波與自己、波與其它波之間對於某種內秉物理量的相關性質。 當兩個波彼此相互干涉時,因為相位的差異,會造成相长干涉或相消干涉。假若兩個正弦波的相位差為常數,則這兩個波的頻率必定相同,稱這兩個波「完全相干」。兩個「完全不相干」的波,例如白炽灯或太陽所發射出的光波,由於產生的干涉圖樣不穩定,無法被明顯地觀察到。在這兩種極端之間,存在著「部分相干」的波。 相干性又大致分類為時間相干性與空間相干性。時間相干性與波的頻寬有關;而空間相干性則與波源的有限尺寸有關。 波與波之間的的相干性可以用來量度。是波與波之間的干涉圖樣的輻照度對比,相干度可以從干涉可見度計算出來。.

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隱變量理論

隱變量理論(hidden variable theory)又稱隱變數理論,是由物理學家質疑量子力學完備性而提出的替代理論。歷史上隨著量子力學的發展,而提出了海森堡不確定原理等限制,一別於古典物理,諸如位置與動量等無法同時精準測出其值;此外關於粒子位置等特性由機率密度描述所取代。一些物理學家例如愛因斯坦,認為量子力學並未完整地描述物理系統的狀態,亦即質疑量子力學是不完備的。因此量子力學的背後應該隱藏了一個尚未發現的理論,可以完整解釋物理系統所有可觀測量的演化行為,而避免掉任何不確定性或隨機性。 歷史上愛因斯坦是隱變量理論的主要倡導者,出於對標準量子力學詮釋的機率性解釋的不滿。他曾說:「我相信上帝不擲骰子。」 1935年,愛因斯坦與波多爾斯基、羅森共同提出的EPR悖論(以姓氏字首為縮寫)試圖對哥本哈根詮釋做出挑戰,論文中指出「實在性元素」(即隱變量)應該加入量子力學中,俾使在量子纏結現象中不會出現鬼魅般的超距作用。在提出後,這樣的爭辯仍停留在物理哲學的範疇,直到約翰·貝爾提出貝爾定理方得區分兩者差異。透過實驗證實:一定類型的局域隱變量理論與實驗結果不相符,包括EPR佯謬中提出的詮釋版本。非局域(廣域)的隱變量理論最知名者為德布羅意-玻姆理論。.

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輻照度

在光學裏,輻照度(irradiance)是電磁輻射入射於曲面時每單位面積的功率。輻射出射度(radiant emittance,radiant exitance)是從曲面輻射出的功率每單位面積。採用國際單位制,這些物理量的單位為瓦特每平方米(W/m2),採用CGS單位制,這些物理量的單位為爾格每平方厘米每秒(erg·cm−2·s−1,常用於天文學)。 物理学中,代表单位面积功率的物理量常被稱為強度,但這用法會與輻射強度(单位立体角内的辐射通量)引起混淆。特别在光学和激光物理学中,辐照度也被叫做光强。 輻照度表示各種頻率輻射的總量。物理學者時常也會分開檢驗輻射頻譜的每一單獨頻率。假設對於入射於曲面的輻射做這動作,則稱這輻射為光譜輻照度(spectral irradiance),國際單位制的單位為W/m2。 假設一個點光源均勻地朝著所有方向傳播光波,則輻照度按照平方反比定律遞減。.

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量子力学

量子力学(quantum mechanics)是物理學的分支,主要描写微观的事物,与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱,许多物理学理论和科学,如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其它相关的學科,都是以其为基础。 19世紀末,人們發現舊有的經典理論無法解釋微观系统,於是經由物理學家的努力,在20世紀初創立量子力学,解釋了這些現象。量子力學從根本上改變人類對物質結構及其相互作用的理解。除透过广义相对论描写的引力外,迄今所有基本相互作用均可以在量子力学的框架内描述(量子场论)。 愛因斯坦可能是在科學文獻中最先給出術語「量子力學」的物理學者。.

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量子態

在量子力學裏,量子態(quantum state)指的是量子系統的狀態。態向量可以用來抽像地表示量子態。採用狄拉克標記,態向量表示為右矢|\psi\rangle;其中,在符號內部的希臘字母\psi可以是任何符號,字母,數字,或單字。例如,在計算氫原子能譜時,能級與主量子數n有關,所以,每個量子態的態向量可以表示為|n \rangle。 一般而言,量子態可以是純態或混合態。上述案例是純態。混合態是由很多純態組成的機率混合。不同的組合可能會組成同樣的混合態。當量子態是混合態時,可以用密度矩陣做數學描述,這密度矩陣實際給出的是機率,不是密度。純態也可以用密度矩陣表示。 哥本哈根詮釋以操作定義的方法對量子態做定義:量子態可以從一系列製備程序來辨認,即這程序所製成的量子系統擁有這量子態。例如,使用z-軸方向的斯特恩-革拉赫實驗儀器,如右圖所示,可以將入射的銀原子束,依照自旋的z-分量S_z分裂成兩道,一道的S_z為上旋,量子態為|\uparrow\rangle或|z+\rangle,另一道的S_z為下旋,量子態為|\downarrow\rangle或|z-\rangle,這樣,可以製備成量子態為|\uparrow\rangle的銀原子束,或量子態為|\downarrow\rangle的銀原子束。銀原子自旋態向量存在於二維希爾伯特空間。對於這純態案例,相關的態向量|\psi\rangle.

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雙縫實驗

在量子力學裏,雙縫實驗(double-slit experiment)是一種演示光子或電子等等微觀物體的波動性與粒子性的實驗。雙縫實驗是一種「雙路徑實驗」。在這種更廣義的實驗裏,微觀物體可以同時通過兩條路徑或通過其中任意一條路徑,從初始點抵達最終點。這兩條路徑的程差促使描述微觀物體物理行為的量子態發生相移,因此產生干涉現象。另一種常見的雙路徑實驗是马赫-曾德尔干涉仪實驗。 雙縫實驗的基本儀器設置很簡單,如右圖所示,將像激光一類的相干光束照射於一塊刻有兩條狹縫的不透明板,通過狹縫的光束,會抵達照相膠片或某種探測屏,從記錄於照相膠片或某種探測屏的輻照度數據,可以分析光的物理性質。光的波動性使得通過兩條狹縫的光束相互干涉,形成了顯示於探測屏的明亮條紋和暗淡條紋相間的圖樣,明亮條紋是相長干涉區域,暗淡條紋是相消干涉區域,這就是雙縫實驗著名的干涉圖樣。 在古典力學裏,雙縫實驗又稱為「楊氏雙縫實驗」,或「楊氏實驗」、「楊氏雙狹縫干涉實驗」,專門演示光波的干涉行為,是因物理學者托馬斯·楊而命名。假若,光束是以粒子的形式從光源移動至探測屏,抵達探測屏任意位置的粒子數目,應該等於之前通過左狹縫的粒子數量與之前通過右狹縫的粒子數量的總和。根據定域性原理(principle of locality),關閉左狹縫不應該影響粒子通過右狹縫的行為,反之亦然,因此,在探測屏的任意位置,兩條狹縫都不關閉的輻照度應該等於只關閉左狹縫後的輻照度與只關閉右狹縫後的輻照度的總和。但是,當兩條狹縫都不關閉時,結果並不是這樣,探測屏的某些區域會比較明亮,某些區域會比較暗淡,這種圖樣只能用光波動說的相長干涉和相消干涉來解釋,而不是用光微粒說的簡單數量相加法。 雙縫實驗也可以用來檢試像中子、原子等等微觀物體的物理行為,雖然使用的儀器不同,仍舊會得到類似的結果。每一個單獨微觀物體都離散地撞擊到探測屏,撞擊位置無法被預測,演示出整個過程的機率性,累積很多撞擊事件後,總體又顯示出干涉圖樣,演示微觀物體的波動性。 2013年,一個檢試分子物理行為的雙縫實驗,成功演示出含有810個原子、質量約為10000amu的分子也具有波動性。 理查德·費曼在著作《費曼物理學講義》裏表示,雙縫實驗所展示出的量子現象不可能、絕對不可能以任何古典方式來解釋,它包含了量子力學的核心思想。事實上,它包含了量子力學唯一的奧秘。透過雙縫實驗,可以觀察到量子世界的奧秘。.

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態向量

在量子力學裏,一個量子系統的量子態可以抽象地用態向量來表示。態向量存在於內積空間。定義內積空間為增添了一個額外的內積結構的向量空間。態向量滿足向量空間所有的公理。態向量是一種特殊的向量,它也允許內積的運算。態向量的範度是1,是一個單位向量。標記量子態\psi\,\!的態向量為|\psi\rangle\,\!。 每一個內積空間都有單範正交基。態向量是單範正交基的所有基向量的線性組合: 其中,|e_1\rangle,\,|e_2\rangle,\,\dots,\,|e_n\rangle\,\!是單範正交基的基向量,n\,\!是單範正交基的基數,c_1,\,c_2,\,\dots,\,c_n\,\!是複值的係數,是|\psi\rangle\,\!的分量,c_i\,\!是|\psi\rangle\,\!投射於基向量|e_i\rangle\,\!的分量,也是|\psi\rangle\,\!處於|e_i\rangle\,\!的機率幅。 換一種方法表達: \end\,\!。 在狄拉克標記方法裏,態向量|\psi\rangle\,\!稱為右矢。對應的左矢為\langle\psi|\,\!,是右矢的厄米共軛,用方程式表達為 其中,\dagger\,\!象徵為取厄米共軛。 設定兩個態向量|\alpha\rangle.

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系綜詮釋和量子力学之间的比较

系綜詮釋有16个关系,而量子力学有193个。由于它们的共同之处9,杰卡德指数为4.31% = 9 / (16 + 193)。

参考

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