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快速弄懂“薛定谔的猫”
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快速弄懂“薛定谔的猫”


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薛定谔是奥地利物理学家,是量子力学奠基者之一。他享誉世界,但他的“猫”比他更出名。
“薛定谔的猫”其实是薛定谔做的一个理论实验,是理论上的,实际上没有发生。这个思想实验,出现在1935年夏天与爱因斯坦的一场对话中。
实验的内容是,在一个封闭的不透明盒子里,放进一只猫、一个放射性原子、一个可以检测原子衰变的装置和一个毒气释放装置。这个原子在一个小时内有几率发生衰变,如果发生衰变就会被检测装置检测到,进而激活毒气释放装置,施放毒气杀死猫。
在打开盒子之前,我们是不知道这个猫是死是活的。按照哥本哈根学派的理论来说,在打开盒子进行观察时,猫的生死就会是一个固定状态,要么生,要么死。这个理论看起来并没有什么问题,我们是要在打开盒子之后才能确定猫是死是活。但客观上,猫的死活,是不需要外部世界观察就已经固定了的!
可能有的读者读到这里会有点迷糊,要真正读懂上一段的内容,就需要先明白这个实验的目的。这个实验的目的,是要反驳哥本哈根学派关于量子系统的叠加态会因由和外部世界的相互作用或被外部世界测量时而变成一种固定态的理论。按照这个理论来说,猫是在被外部世界观察之后,生死才处于一种固定态。但按照客观来说,这个猫,不管你外部观察与否,它的生死早就固定了。
“薛定谔的猫”试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理的问题,巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来,以此求证观测介入时量子的存在形式。随着量子物理学的发展,“薛定谔的猫”还延伸出了平行宇宙等物理问题和哲学争议。
纵观与量子理论有关的所有奇谈,很少有比薛定谔那既生又死的猫更古怪的了。薛定谔设计了这个可怕的实验来挖苦量子理论荒唐的一面。按照量子论支持者的解释,在打开盒子看猫之前,这只猫非生非死,处在典型的量子态,即活与不活叠加的离奇状态 。
微观物质有不同的存在形式,即粒子和波。通常,微观物质以波的叠加混沌态存在;一旦观测后,它们立刻选择成为粒子。
在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者观测时,物质以粒子形式表现后才能确定。这项实验使微观不确定原理变成了宏观不确定原理。猫既活又死违背了逻辑思维。
薛定谔挖苦说:按照量子力学的解释,箱中之猫处于“死-活叠加态”,要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。请注意!不是发现而是决定,仅仅看一眼就足以致命!只有当你打开盒子的时候,叠加态突然结束(数学术语就是“波函数坍缩(collapse)”)。量子力学告诉我们,存在一个中间态,猫既不死也不活,直到进行观察才决定了生死。
爱因斯坦和少数非主流派物理学家拒绝接受由薛定谔及其同事创立的理论结果。爱因斯坦认为,量子力学只不过是对原子及亚原子粒子行为的一个合理的描述,这是一种唯象理论,它本身不是终极真理。他说过一句名言:“上帝不会掷骰子。”他不承认薛定谔的猫的非本征态之说,认为一定有一个内在的机制组成了事物的真实本性。他花了数年时间企图设计一个实验来检验这种内在真实性是否确在起作用,他没有完成这种设计就去世了。
1957年,休·埃弗莱特提出的“多世界诠释”似乎为人们带来了福音,由于它太离奇开始没有人认真对待。格利宾认为,多世界诠释有许多优点,由此它可以代替哥本哈根诠释。我们下面简单介绍一下休·埃弗莱特的多世界诠释。
埃弗莱特指出两只猫都是真实的。有一只活猫,有一只死猫,它们位于不同的世界中。问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变,而在于它既衰变又不衰变。当我们向盒子里看时,整个世界分裂成它自己的两个版本。这两个版本在其余的各个方面都是全同的。区别只是在于其中一个版本中,原子衰变了,猫死了;而在另一个版本中,原子没有衰变,猫还活着。也就是说,上面说的“原子衰变了,猫死了;原子没有衰变,猫还活着”这两个世界将完全相互独立地演变下去,就像两个平行的世界一样。
格利宾显然十分赞赏这一诠释,他说:这听起来就像科幻小说,然而它是基于无懈可击的数学方程,基于量子力学朴实的、自洽的、符合逻辑的结果。在量子的多世界中,我们通过参与而选择出自己的道路。在我们生活的这个世界上,没有隐变量,上帝不会掷骰子,一切都是真实的。按格利宾所说,爱因斯坦如果还活着,他也许会同意并大大地赞扬这一个“没有隐变量”的理论。
这个诠释的优点是:薛定谔方程始终成立,波函数从不坍缩,由此它简化了基本理论。它的问题是设想过于离奇,付出的代价是这些平行的世界全都是同样真实的。这就难怪有人说:“在科学史上,多世界诠释无疑是目前所提出的最大胆最野心勃勃的理论。”
所谓的量子理论其实也不一定是真理,微观世界与宏观世界的显著差异客观存在,而作为宏观生物的我们难以精确地认识微观,量子理论很多是围绕现象提出假设,而不是数学上的严格证明。假设究竟是对是错没有经过证明我们不得而知,但是只要假设逻辑上自洽,并且能够解释得通一些现象,那就不妨把它们当作真的。量子物理在对与错中曲折前行,但是我们不能全面肯定也不能全面否定。相对论推翻了经典力学,量子力学也可能推翻相对论。未来究竟怎样,谁也不清楚。


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[此贴子已经被作者于2018-11-23 15:00:41编辑过]

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2018-11-23 14:58:30

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