楊道密

【摘 要】本文指出了對(duì)微觀(guān)體系波粒二象性的一些錯(cuò)誤表述及其可能造成的結(jié)果，指出了在教學(xué)中應(yīng)注意的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】波動(dòng)性；波粒二象性；粒子性

近代物理學(xué)的研究表明，一切微觀(guān)體系都具有波粒二象性，這是被實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)了的，是為人們所普遍公認(rèn)的。然而，在量子力學(xué)或原子物理學(xué)的一些教科書(shū)中，在講述微觀(guān)體系或光的波粒二象性時(shí)，往往有如下一些說(shuō)法出現(xiàn)：“既在某些情況下具有波動(dòng)性，在另一些情況下又具有微粒性”。“光在傳播過(guò)程中具有波動(dòng)性，在和物質(zhì)相互作用時(shí)具有粒子性?！弊髡哒J(rèn)為，類(lèi)似的這種表述是不確切的，嚴(yán)格地說(shuō)是錯(cuò)誤的。這種說(shuō)法，不利于讀者對(duì)整個(gè)量子力學(xué)理論體系的認(rèn)識(shí)和理解，甚至產(chǎn)生誤解。

一、關(guān)于波粒二象性表述的誤區(qū)

（一）它否定了“二象性是一切微觀(guān)體系的本質(zhì)屬性”這一基本事實(shí)

我們注意到上述引文“具有”一詞的表述，言下之意是微觀(guān)體系或光在“具有波動(dòng)性”的情況下不具有粒子性；反過(guò)來(lái)，當(dāng)它“具有微粒性”的情況下，就再也不具有波動(dòng)性?；蛘哒f(shuō)，“光在傳播過(guò)程中”就不具有微粒性，而“在和物質(zhì)相互作用時(shí)”就不具有波動(dòng)性。

“波粒二象性”是光和每個(gè)物質(zhì)體系所具有的本質(zhì)屬性。既然是本質(zhì)屬性，就是固有的、時(shí)刻存在的。過(guò)去已有許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)，而最近瑞士科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的光子以某種方式在10km距離相聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)證據(jù)則進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)。既然是本質(zhì)屬性，就意味著，它們既可按波行事，也可按粒子行事；究竟是表現(xiàn)波的行為，還是表現(xiàn)粒子的行為，則取決于具體的環(huán)境。任何“本質(zhì)”的東西都是與過(guò)程無(wú)關(guān)的，是不因外界環(huán)境和條件的影響而改變的，只不過(guò)本質(zhì)屬性的某一方面或某些方面在某種情況下表現(xiàn)出來(lái)，而在某些別的情況下則被壓抑而不表現(xiàn)出來(lái)罷了。毫無(wú)疑問(wèn)，不表現(xiàn)出來(lái)的東西并不意味著就是不存在的、不“具有”的東西。

（二）容易引導(dǎo)讀者陷入經(jīng)典物理學(xué)觀(guān)念的束縛中

在經(jīng)典物理學(xué)中，所謂波動(dòng)，指的是某一實(shí)在的物理量（例如力、位移、壓強(qiáng)、電場(chǎng)強(qiáng)度等）在空間（通過(guò)介質(zhì)）的傳播過(guò)程，并且可能在一定條件下產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象。而所謂粒子，則是一整份地出現(xiàn)在空間中的客體，這種客體具有確定的質(zhì)量、電荷、動(dòng)量等，并且在時(shí)空中有一條確定的運(yùn)動(dòng)軌道。在傳統(tǒng)的經(jīng)典物理學(xué)看來(lái)，波動(dòng)性和粒子性是完全對(duì)立的，絕對(duì)不能統(tǒng)一，不能同時(shí)存在于一個(gè)客體中。上述說(shuō)法恰恰給讀者以這樣的印象，并且似乎所說(shuō)的粒子性和波動(dòng)性就是經(jīng)典意義下的粒子性和波動(dòng)性。

（三）從哲學(xué)上說(shuō)，是違背對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律的，是形而上學(xué)的

這種說(shuō)法實(shí)際上把“波動(dòng)性”和“粒子性”割裂開(kāi)來(lái)，對(duì)立起來(lái)，互不相容，采取“有此無(wú)彼”“有彼無(wú)此”或“非此即彼”“非彼即此”的形式，彼此無(wú)法共存于一個(gè)統(tǒng)一體中，因而與對(duì)立統(tǒng)一的辯證規(guī)律是相違背的，是形而上學(xué)的。

（四）動(dòng)搖了量子力學(xué)理論的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)

微觀(guān)體系具有波粒二象性，這是量子力學(xué)理論認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)，或者說(shuō)是量子力學(xué)理論的物理基礎(chǔ)，由這個(gè)基礎(chǔ)出發(fā)，才建立起整個(gè)量子力學(xué)的理論體系，包括微觀(guān)體系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用波函數(shù)來(lái)描述，波函數(shù)（運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）的變化遵循薛定諤方程，微觀(guān)體系的力學(xué)量用算符表示等。如果微觀(guān)客體不是時(shí)刻具有波粒二象性，而是某些時(shí)候具有波動(dòng)性，在別的不具有波動(dòng)性的時(shí)候才具有粒子性；反之亦然，那么，量子力學(xué)就失去了認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)。隨之，建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的整個(gè)量子力學(xué)的理論框架也將倒塌。

二、量子力學(xué)教學(xué)中的注意事項(xiàng)

根據(jù)以上分析，作者認(rèn)為在量子力學(xué)教學(xué)中應(yīng)注意如下問(wèn)題。

（一）要徹底擯棄經(jīng)典物理學(xué)觀(guān)念的束縛

首先要明確，在微觀(guān)領(lǐng)域，不可能像經(jīng)典物理學(xué)那樣，給微觀(guān)粒子拼湊出一個(gè)具體模型，歷史上曾有過(guò)設(shè)想微觀(guān)體系是粒子組成的疏密波，也有人設(shè)想粒子由波組成的波包等模型。但這些模型都因與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符而被否定。從邏輯上說(shuō)，企圖用從宏觀(guān)現(xiàn)象中抽象出來(lái)的概念、模型去套微觀(guān)體系是注定要失敗的。

其次要明確，我們僅僅是借用了經(jīng)典物理學(xué)的“微粒性”和“波動(dòng)性”概念（確切地說(shuō)，是重復(fù)使用了這兩個(gè)“術(shù)語(yǔ)”），然而，卻與經(jīng)典意義下該兩個(gè)概念有著本質(zhì)上的區(qū)別。我們所說(shuō)的波動(dòng)性，指的僅僅是客體在某些條件下會(huì)表現(xiàn)出干涉、衍射等相干性這些體現(xiàn)波動(dòng)性的現(xiàn)象，而并不是說(shuō)它是實(shí)在的物理量在空間的傳播。我們所說(shuō)的粒子性，指的是客體在與物質(zhì)相互作用時(shí)是整體集中出現(xiàn)的，但并不存在軌道?！败壍馈?，對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)很好的概念，但是在微觀(guān)領(lǐng)域，卻不能使用這個(gè)概念，這是因?yàn)?，古今中外，沒(méi)有任何人用任何方法觀(guān)察到任何微觀(guān)客體的運(yùn)動(dòng)軌道。換句話(huà)說(shuō)，微觀(guān)客體的運(yùn)動(dòng)不存在軌道。

（二）微觀(guān)客體的波粒二象性反映的是客體內(nèi)存在著的模糊性，這種模糊性導(dǎo)致其行為的不確定性

海森伯以其著名的不確定性原理量化了這種不確定性，即一對(duì)共軛力學(xué)量具有不確定度關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

△p△q≥h/2

其中p、q分別為廣義動(dòng)量和廣義位置。

這種模糊性的后果之一就是擯棄了電子、光子等微觀(guān)粒子在空間沿特定路徑或軌道運(yùn)動(dòng)的直觀(guān)概念。對(duì)于遵循一確定軌道運(yùn)動(dòng)的一個(gè)粒子來(lái)說(shuō)，每一時(shí)刻它都必定具有一個(gè)位置（路徑上的一點(diǎn)）和一個(gè)速度（路徑的切矢量），但是一個(gè)微觀(guān)粒子不可能同時(shí)具有二者。著名的托馬斯·楊雙縫實(shí)驗(yàn)最有代表性地顯示了量子的模糊性。

（三）要用辯證的觀(guān)點(diǎn)去理解“波粒二象性”

或許有人要問(wèn)，電子“實(shí)際”是什么？光子“實(shí)際”是什么？這本來(lái)是沒(méi)有意義的?；蛘咧辽?，當(dāng)你提出這樣的問(wèn)題時(shí)，物理學(xué)家不可能給予回答，甚至量子力學(xué)的先驅(qū)者波爾也說(shuō)過(guò)：“物理學(xué)不告訴我們世界是什么，而是告訴我們關(guān)于世界我們能夠談?wù)撌裁础?。例如，關(guān)于電子，我們常常談?wù)摰氖撬馁|(zhì)量、電荷、自旋以及當(dāng)它處于原子中時(shí)的分布情況（分布概率）等。如果確實(shí)要回答的話(huà)，那就是，它們都是矛盾的統(tǒng)一體。正如黑格爾所說(shuō)：“一切事物本身都自在地是矛盾的”，“這一命題比其他命題更加能表述事物的真理和本質(zhì)”。微觀(guān)客體是一個(gè)矛盾的統(tǒng)一體。一物質(zhì)都是一個(gè)矛盾的統(tǒng)一體。如果我們認(rèn)定“波動(dòng)性”和“粒子性”是一對(duì)矛盾，或者說(shuō)是矛盾的兩個(gè)方面的話(huà)，那么，它們“既是波，又是粒子”“既具有波動(dòng)性，又具有粒子性”；它們是“波”和“粒子”的矛盾統(tǒng)一體。這種矛盾是存在于客體之中的，是貫穿于運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程的。當(dāng)然，我們這里所說(shuō)的“波”和“粒子”，既不是經(jīng)典概念中的“波”，也不是經(jīng)典概念中的“粒子”。

甚至，按照哥本哈根的觀(guān)點(diǎn)，“一個(gè)原子、電子，或無(wú)論什么東西，都不能說(shuō)是以其名詞的完全與常規(guī)的意義而‘存在的”?！坝捎凇拥母拍顝膩?lái)就是只在對(duì)它實(shí)行觀(guān)察的實(shí)踐中才會(huì)碰到，所以，人們可以堅(jiān)持認(rèn)為：物理學(xué)家所必須關(guān)注的只是一致地關(guān)聯(lián)各種觀(guān)察結(jié)果”在經(jīng)典物理學(xué)中，能量是一個(gè)純抽象的量，只是以簡(jiǎn)單的方式將力學(xué)過(guò)程中各種觀(guān)察聯(lián)系在一起的一組數(shù)學(xué)關(guān)系中的一部分，于是，“像電子、光子或原子這些詞，應(yīng)該按同樣的方式來(lái)看待即它們是一些在我們想象中將實(shí)際上只是一組關(guān)聯(lián)各種觀(guān)察的數(shù)學(xué)關(guān)系固定起來(lái)的模型”。

最后，作者認(rèn)為，對(duì)微觀(guān)體系的波粒二象性這一本質(zhì)屬性應(yīng)該給予如下全面、準(zhǔn)確的表述：微觀(guān)體系具有波粒二象性；在某些情況下波動(dòng)特性表現(xiàn)明顯，而在另一些情況下，微粒特性表現(xiàn)明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]（英）戴維斯、布朗合編.原子中的幽靈.易心潔譯.長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1992.10

[2]列寧哲學(xué)筆記.北京：人民出版社，1956.118，22～23