白 蕊

（沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽110034）

量子力學(xué)和相對論已經(jīng)在20世紀(jì)就成為了物理學(xué)的支柱理論，其在歷史的發(fā)展中既是獨(dú)立的，同時(shí)又是緊密的交織在一起。早期的量子力學(xué)和相對論之間主要是愛因斯坦其光量子理論為量子論的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。狹義相對論和概念性的追求不強(qiáng)，然而愛因斯坦本人，雖然未參與到量子力學(xué)架構(gòu)之中，但是其卻以相對論作為基礎(chǔ)，在物理或者方法論上對于量子力學(xué)研究上產(chǎn)生了非常重要的作用。本文主要就相對論的發(fā)展和量子力學(xué)之間的啟示進(jìn)行分析，并探討其發(fā)展。

1 初期量子力學(xué)和相對論的聯(lián)系分析

量子論其主要是源自黑體輻射問題探索，從普朗克的研究成果來看，一切輻射振子的能量均只能夠被限制為E=nhγ，其中h為自然常數(shù)，h=6.55x10-27爾格·秒。量子力學(xué)概念的提出從事實(shí)上來看，其主要是將連續(xù)性的原理作為經(jīng)典物理學(xué)的支柱，但是普朗克其本人卻未曾認(rèn)識到這點(diǎn)。另外洛倫茲曾經(jīng)試圖將電磁模型和機(jī)械模型解釋為輻射機(jī)制或者h(yuǎn)常數(shù)，其意義與以太自由度的限制相關(guān)。即每個自由度均會拒絕任何大小的能量，除非以hγ的份額出現(xiàn)。他對自由度進(jìn)行限制，并且將幾組毗鄰的振動耦合在一起，以此來確保麥克斯韋方程有效[1]。

愛因斯坦曾在1905年提出了光量子的假設(shè)，其觀點(diǎn)為：光束的能力不僅可以吸收與發(fā)射中的量子性，并且空間也不是進(jìn)行連續(xù)分布的。雖然愛因斯坦的光量子假說是從麥克斯韋理論與實(shí)踐矛盾中產(chǎn)生，并且也是重物提所持理論觀念的分歧。隨后一段時(shí)間，愛因斯坦將經(jīng)典力學(xué)和麥克斯韋的電磁理論統(tǒng)一在一起，并奠定了狹義相對論基礎(chǔ)。并且愛因斯坦指出光以太的存在其實(shí)是多余的，因?yàn)榘凑账U明的見解，不需要引進(jìn)一個具有特殊性質(zhì)，并且絕對靜止的空間，同時(shí)也不需要給發(fā)射電磁過程的虛空間每一點(diǎn)規(guī)定的速度矢量。對于以太概念的否認(rèn)，使得人們認(rèn)識到了光不是一種臆想的媒質(zhì)狀態(tài)和類似物質(zhì)實(shí)體存在的東西。

直到1991年，索爾末會議之后，光量子假說逐漸被認(rèn)同，并且迅速擴(kuò)展到了原子結(jié)構(gòu)的問題研究。玻爾解決了原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性解釋，并且導(dǎo)算出了氫光譜的巴爾末公式。1916年，愛因斯坦建立了廣義相對論，并且再次將重心轉(zhuǎn)向了量子論，他希望通過廣義相對論來對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行推廣。從廣義的相對論，不僅可以推導(dǎo)出引力場的性質(zhì)，而且還能夠?qū)ο氪艌龅男再|(zhì)進(jìn)行推導(dǎo)。

2 相對論在量子力學(xué)中的構(gòu)建

量子力學(xué)主要沿三條途徑慢慢的建立起來，分別是薛定諤波動力學(xué)、海森堡矩陣力學(xué)和狄拉克q數(shù)理論。

2.1 海森堡矩陣力學(xué)

海森堡矩陣力學(xué)是基于波爾理論建立起的，其主要的重心在微觀客體的粒子性上。海森堡矩陣力學(xué)針對波爾理論只能計(jì)算能量而無法計(jì)算躍遷幾率的缺點(diǎn)，認(rèn)為最關(guān)鍵的問題在于防止僅對粒子軌道做出具體的描述，但又無法直接進(jìn)行觀測。海森堡這一理論方案設(shè)計(jì)到一種方程，即粒子位置和速度的方程，位置和速度乘積主要取決于兩種量相乘的先后順序。海森堡在兩位數(shù)學(xué)家的幫助下利用矩陣代數(shù)建立起了矩陣力學(xué)體系。在建立矩陣力學(xué)過程中，相對論的作用主要體現(xiàn)在方法論和認(rèn)識論上。海森堡將利用相對論啟示提出了量子理論[2]。

2.2 薛定諤波動力學(xué)

薛定諤波動力學(xué)基于德布羅意物質(zhì)波理論，而德布羅意物質(zhì)波理論主要是由于德布羅意受到相對論中光量子論的啟示，并考慮了電子運(yùn)動時(shí)相對性效應(yīng)提出的。德布羅意的研究告訴我們，不能將電子視為一種單純的微粒，必須要賦予電子周期性，隨后德布羅意將光微粒能量方程E=hγ推廣到電子上，提出了相波概念，并導(dǎo)出了電子波函數(shù)方程。薛定諤就是從德布羅意的電子波函數(shù)方程入手，試圖將該方程推廣到束縛粒子上，并根據(jù)德布羅意的電子波函數(shù)方程進(jìn)行了推廣并用于在氫原子上，由于考慮不周導(dǎo)致結(jié)果和實(shí)驗(yàn)不符合，但在該過程中轉(zhuǎn)而提出了非相對論性波動方程。

2.3 狄拉克q數(shù)理論

當(dāng)?shù)依说弥Ｉさ热私⒘司仃嚵W(xué)后，他卻獨(dú)辟蹊徑的提出了量子力學(xué)q數(shù)理論。后來，狄拉克回憶道，當(dāng)時(shí)在物理力學(xué)方程中存在著一般性的問題，即人們一旦遇到用非相對論形式表現(xiàn)的物理方程，當(dāng)時(shí)的人總想去將它們改成合適相對論的形式，并且他還說他對海森堡著作中提到的非相對論理論不是太過滿意。同時(shí)，狄拉克也注意到矩陣力學(xué)并不和相對論協(xié)調(diào)，并且矩陣方程中涉及的兩種能量，會讓他不由自主的聯(lián)系到其和兩個動量，從相對論考慮，兩個動量的差值應(yīng)該與兩能量差值除以光速得到的值一樣，并且兩動量差的方向在矩陣元中應(yīng)該保持相同，再聯(lián)系到泊松符號和易子，使狄拉克建立起q數(shù)理論。

3 相對評價(jià)和量子力學(xué)經(jīng)驗(yàn)詮釋差異

哥本哈根作為量子力學(xué)的代表人物，其理論被玻爾、海森堡等人提及了相對論思想對他們的理論具有互補(bǔ)和啟示作用。玻爾曾經(jīng)說過，不管是相對論，還是互補(bǔ)思想的典型特征有何種不同，兩種形式在認(rèn)識方面都表現(xiàn)出深遠(yuǎn)相似之處。玻爾在分析過程中將引導(dǎo)互補(bǔ)性的結(jié)論方法，其直接是受到愛因斯坦本人在使用精辟方法對同時(shí)性概念的啟示。對于經(jīng)典物理學(xué)的概念框架擴(kuò)展和發(fā)展方面，相對論和量子理論之間存在著很多的相似之處。玻爾等人對于相對論的認(rèn)識還存在著另外一個視角，即還沒有背離經(jīng)典物理學(xué)的理想，其仍然具有其明顯特點(diǎn)。正是因?yàn)槿绱?，其對量子物理學(xué)的發(fā)展造成了障礙。

從玻爾的觀點(diǎn)中看出，經(jīng)典物理力學(xué)和相對論范圍內(nèi)，可以采用一種理想化的方法來對其進(jìn)行任意分割，從測量儀器以及所觀察的客觀體來看，其相互作用之間可以忽略不計(jì)，或者可以設(shè)法進(jìn)行補(bǔ)償，但是微觀物理學(xué)過程中存在著一種固有的整體理論特征，從量子現(xiàn)象來看，決定論中所提及的各個時(shí)間無限可分性，則從原則上被指定，其被試驗(yàn)條件所排出。愛因斯坦始終認(rèn)為量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律不是物理實(shí)在的完備描述，而是需要有一個決定論作為基礎(chǔ)。曾經(jīng)愛因斯坦使用推廣的廣義相對論針對原子的結(jié)構(gòu)和量子問題進(jìn)行分析，并且他將相對論作為物理學(xué)發(fā)展的一個綱領(lǐng)。量子力學(xué)建立之后，愛因斯坦本能的意識到它和相對論不相容。愛因斯坦和玻爾等人，針對量子力學(xué)經(jīng)驗(yàn)和相對評價(jià)論之間的爭論始終以相對論來作為基綱進(jìn)行分析。論證量子力學(xué)和相對關(guān)系體系中，愛因斯坦提出了其判斷依據(jù)：分離系統(tǒng)的狀態(tài)只有被有限、低速的光速傳播效應(yīng)來進(jìn)行改變，而普遍的相互作用原則之中，則可以通過單個過程來進(jìn)行隔離，此過程中還可以實(shí)現(xiàn)不破壞客體的本質(zhì)。顯而易見，這個判斷的根據(jù)是從狹義相對論中衍生而來，均是根據(jù)狹義相對論作為前提，然后為了消除EPR悖論所提出的量子力學(xué)跟蹤解釋。

4 結(jié)束語

我們在進(jìn)行量子力學(xué)的構(gòu)建和經(jīng)驗(yàn)詮釋之中，相對論主要是以認(rèn)知作為背景。若將經(jīng)典物理學(xué)看做為廣闊的認(rèn)知背景，則相對論和量子力學(xué)將成為了擴(kuò)展和變革的表現(xiàn)。從量子力學(xué)研究中，以非相對論作為基礎(chǔ)，其使得構(gòu)建者們感受到不安和困惑，且二者難以達(dá)到協(xié)調(diào)一致。

［1］劉雅超,黎明.相對論量子力學(xué)方程的求解新方案[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010,07:107-110.

［2］鄒艷波.經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)對應(yīng)關(guān)系研究[D].新疆師范大學(xué),2008.