量子現象

研究原子、分子、原子核、基本粒子時所觀察到的關於微觀世界的系列特殊的物理現象。

基本信息

原子、原子核之基本粒子-內部結構模型圖組成:原子、原子核之基本粒子-內部結構模型圖

英文名:quantum phenomenon
在研究原子分子原子核基本粒子時所觀察到的關於微觀世界的系列特殊的物理現象,成為量子現象。
量子物質是指在低溫高壓強磁場小尺度等極端條件下,量子效應起決定性作用的一些複雜系統。中科院院士、中科院物理所研究員於淥說,隨著高科技實驗手段不斷更新發展,人類對量子世界的把握已從被動觀察和解釋神奇的量子現象,逐漸轉向“看得見、摸得著”的“調控時代”。人類通過研究量子物質的物理特性,設計新的材料結構和量子器件,改變可控條件,就有望對各種量子狀態實現調控並為人類所用。與此相關的研究正在成為已開發國家激烈競爭的焦點。

現象描述

現象的互補性,就是指相互排斥的現象實質上相互補充的,它們都是闡明量子客體的結構、本質或意義所必需的。現象的波動性與粒子性是互補的。由於不同的實驗裝置,因而具體的波動性、粒子性又有區別,這些差別構成了波動圖景和粒子圖景更全面的內容,這就等同於通過現象學中更多的自由變更,以獲得現象的本質、現象的結構或現象的多重穩定性的複雜結構。
在1948年,玻爾用“互補性證據”(complementary evidence)來指稱從不同實驗中獲得的不同觀測事實。在玻爾後來的論文中,最通常是指互補現象。玻爾認為,“在客觀描述中,的確更適當的是,僅使用現象一詞去指稱在特定環境下獲得的測量結果,該環境還包括整個實驗安排的說明”。玻爾有關量子現象包括環境的觀點,得到了當代量子測量理論的支持。
量子測量是一個典型的量子現象,有生成和轉化過程,包括從微觀可逆到巨觀不可逆經典現象,即量子系統、測量儀器與環境的相互作用的演化構成了量子現象的完整意義。目前有關量子測量的退相干研究取得了很大進展,相互作用產生量子糾纏、導致退相干是一個具有普適性的基本物理過程。
(1)可能性與機率

量子現象量子現象

possibility(可能性)與probability(機率)在漢語中都稱之為可能性,後者在統計科學中又稱之為機率或幾率,兩者分別來自其形容詞。possible和probable。possible是指,在沒有與事實、規律或與境相矛盾的條件下,可能發生、存在或是真的;它強調客觀上有可能性,但常常帶有“實際可能性很小”的暗示。probable是指,將可能發生或將是真的,是合乎情理的(plausible)。probable用來指有根據,合情理,值得相信的事物,語氣比possible要重,有“相當可能的”意思。
在後現象學中用可能性(possibility)來描述變更。如伊德經常用到的“舞台金字塔機器人”(stage/pyramid/robot)圖形的三重變更中,有三重體現性,三種變更,就有三種可能性。對於這些可能性,不一定是現實的。“舞台/金字塔/機器人”都是一些畫出的線,是現象學上的變更,這三種有意義的圖像都是可能的。但這三種圖像不能結合在一起。
而在量子力學中用機率(probability)來描述微觀粒子出現在空間中某點的可能性。機率幅(probability amplitude)ψ是一個復值函式。表示為位置的機率稱之為波函式。ψ*ψ,即機率幅的絕對值稱之為機率密度。一個微觀粒子處於特定區域V中的機率就是對該區域的機率密度的積分(要求歸一化)。量子力學的機率幅表示了微觀世界的存在方式,而巨觀世界才是用機率即經典機率來描述可能性,量子現象反映了機率幅與經典機率的統一性。但量子力學中的互補原理說明,波動圖景與粒子圖景是互補的。我認為,在量子力學中,波動圖景與粒子圖景都是可以從機率幅加上實驗環境而推演出來,即機率幅是更基本的東西。
(2)變更方法與互補原理

量子互纏量子互纏

從對現象的研究方法來看,現象學強調通過自由變更的方法來獲得現象的本質、結構特點或多重穩定性的複雜結構,這裡的“自由變更”可能是實在的變化,也可以是想像的或虛擬的變化。從對現象的自由變更中認識哪些是變數,哪些是不變數,並獲得現象的本質或結構。玻爾提出用互補原理來認識量子現象及其量子現象的描述,量子現象的變化是實在的變化。互補原理關注的是量子現象的描述方式的互補性和量子現象本身的互補性。互補原理與自由變更方法的相通性,在於它們都是從不同的可能的側面、視角等來揭示或直觀現象。
變更方法與互補原理也存在差別。在胡塞爾看來,“變化”是指實在東西的變化;其次它是指狀態變化,個體保持同一。而變更不是指狀態變化而個體保持同一,而是指變成別的個體。現象學與後現象學中的自由變更方法的實質,就是講直觀事物應當從儘可能多的角度(實在的或想像的)來展開,以獲得事物的全部意義。在伊德的後現象學看來,對現象的自由變更所得到的各種有意義的圖景不能夠整合在一起。如在伊德所用的“舞台/金字塔/機器人”的變更中,舞台、金字塔與機器人是純粹不同的東西,當然是無法整合的。互補原理是講相互排斥的事物具有互相補充的性質,它們都是認識整體性質所必須的,即相互排斥的圖景將被整合。如在量子力學的波動描述與粒子描述中,經典物理的波與粒子是相互矛盾的概念,但在量子力學中得到了統一。從實驗角度來看,就是在物理允許的多種條件下,儘可能獲得不同性質的物理結果。這裡的每一種實驗方法或測量方法都包括了一種經典模式,互補互斥的各種模式的整合才生成事物的完整意義。

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