几种相互作用?
这个问题我十年前想了很久很久,当时在研究所工作,所里很多同事都搞量子力学和量子计算,每天和他们讨论问题能学到很多东西。 当时对量子力学了解不多,就看了大量有关文献,发现描述微观世界的两种体系是波函数和粒子态,而这两种表述的相互转化是通过薛定谔方程实现的(波函数),或者说是由希尔伯特空间到矩阵形式的转化。
既然有波函数就有其对应的物质——波,同时也有由粒子态所对应的物质——粒子。那么波与粒子的相互关系就是很重要的一个问题,当时的思考是这样的: 一个系统的波函数决定了这个系统的一切,包括它的粒子态。也就是说,给定一个波函数,可以通过数学公式确定这个系统中任何大小的粒子数目以及这些粒子的所有可能状态。反过来,给定一堆粒子,通过计算它们之间的关联性可以找到构成它们的波函数。
然而现实中并不存在只有一堆粒子的系统,而是有很多个这样的系统互相作用,每一个相互作用的过程可以用哈密顿量来描述,而这个哈密顿量本质上是一个算符,它作用于某个波函数得到一个新的波函数,而这个新的波函数又确定了另一堆粒子的运动情况……如此循环往复。 我当时想的问题是如何从一个初始的波函数计算出所有粒子最终的分布,当然这是不可能完成的任务。于是我想到了另外一个思路:既然单个系统无法描述,那就多个系统一起描述。多系统间的相互影响可以通过相互作用哈密顿量来描述,而在每个系统内部,都可以用薛定谔方程来描述。这样就把原先一个问题分解成了若干个小问题,每个小问题的计算都要比原问题简单许多。而且这样还保证了所有的计算结果最终都能统一在一起。这个思想算是为我以后的研究提供了一些思路。
后来读了霍金的书《时空大尺度结构》受到启发,如果考虑宏观物体,则经典力学更适合,而不需要求解微扰场方程。经典力学中有关相位的问题就可以用干涉来测量,有关振幅的问题就可以用散射来测量。只要测量足够多次,任意给定的初相和条件都有可能复原出来。这算是对上述问题的一个比较靠谱的解决方案吧。