一文读懂“薛定谔的猫”的前世今生

1个月前 (05-16 04:55)阅读14回复0
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  最近女儿总是问我薛定谔的猫是什么?这个问题我给她讲过好几遍,猛地问起来,搞得我也很薛定谔。想想算了,干脆开篇专门讲讲薛定谔和他的猫。

  薛定谔是量子力学的奠基人之一,他之所以很-很-很出名,除了长得帅之外,主要是因为“薛定谔的猫”,这只猫是物理学界的四大神兽之首,比薛定谔本人还出名。百度搜索薛定谔,他的猫竟然排在人前面,这跟谁说理去?这只猫搞得薛定谔好像比杨振宁老先生还牛逼。顺便说一句,杨老在物理学界是有地位的,一牛二爱三麦,四杨或四狄拉克吧,坐五望四是稳的,以后开篇专门讲。

一文读懂“薛定谔的猫”的前世今生

  就问你帅不帅?!

  爱因斯坦和哥本哈根学派的爱恨情仇

  话说物理学界也分山头,拉帮结派是常态,帮派之间一言不合就打嘴仗,动手滴不要!然后就是各种理论模型、逻辑推理、思想实验。你猜得没错,就是各自在脑子里做实验,能用IP、IC、IQ解决的绝不动手。据说亚里士多德认为男性牙齿比女性多,结果大家几百年就认为这是毋庸置疑的。所以,我们初中物理学过的伽利略比萨斜塔实验也根本就木有发生过。自由落体这点破事,伽利略在脑子里用逻辑就把亚里士多德KO了。

  时间回到20世纪30年代,经典物理学头顶上的两朵乌云最终催生出相对论和量子力学两大经典理论。以玻尔和海森堡为首的哥本哈根学派把量子力学玩得风生水起,爱因斯坦在相对论领域苦苦支撑,动不动就来量子力学这边插一脚。两者一言不合就开撕,然后就做实验,当然还是用脑子做。顺带说一句,爱因斯坦之所以获得诺贝尔奖,是为了表彰他在量子力学光电效应的贡献。据说当时相对论全世界只有两个半人能搞明白,20世纪最伟大的物理学理论之一与诺奖失之交臂,还有一个就是杨振宁的规范场理论。

  哥本哈根学派认为,在没有测量之前,一个粒子的状态模糊不清,处于各种可能性的混合叠加。比如一个放射性原子,它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察,它便处于衰变/不衰变的叠加状态中,只有确实进行了测量,它才能随机选择一种状态出现。换句话说,既然世界的基本物质是粒子,那世界就是不确定的。这也太科幻了有木有?本着敌人坚持我就反对的原则,爱因斯坦坚决认为世界是确定的。两者在几届索尔维会议年会上交锋后,爱因斯坦人单势孤,除了留下那句名言“上帝不会掷骰子”之外,可以说是灰头土脸。

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  第五次索维尔会议,20世纪人类顶级智慧的集合,顶礼膜拜吧!!

  此时,小薛童鞋已过不惑之年,依然暴脾气十足。别看小薛同鞋长得帅,也挺潮,晚年还特朋克,骨子里却是顽固的古典派。1926年,薛定谔波动方程的提出轰动世界,可悲的是,该方程直接证明了德布罗意提出的波粒二象性,一个让人大跌眼镜的事实:粒子以概率的方式出现,具有不确定性。这尼玛太玄幻了,竟然把小薛童鞋自己也整懵圈了。1935年,为了响应爱因斯坦对于哥本哈根学派的攻击,他发表了题为《量子力学的现状》(Die gegenwartige Situation in der Quantenmechanik)的论文。作为量子理论的先驱,薛定谔正式站在了哥本哈根学派的对立面,文章极为尖酸刻薄,讽刺挖苦,一副与哥本哈根学派誓不两立的样子。在论文中,薛定谔描述了那个常被物理学界视为噩梦的实验----当然还是思想实验。

  薛定谔的猫

  薛定谔设想,在一个封闭不透明的匣子里,有一只活猫、一个放射性原子控制的电子开关、一把锤子及一瓶毒药。当原子核衰变发生时,释放出的阿尔法粒子触动电子开关,锤子落下打破药瓶,猫将被毒死。按照常识,在盖子打开之前,猫50%被毒死,50%还活着。这是它的两种本征态。如果用薛定谔方程来描述薛定谔的猫,则只能说,它处于一种活与不活的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间,猫构成的波函数由叠加态立即塌缩到某一个本征态,才能确切地知道猫是死是活。量子理论认为:如果没有揭开盖子,进行观察,我们永远也不知道猫是死是活,它将永远处于半死不活的叠加态。这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,而客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。

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  这就是那只该死的猫!!

  好了,不要装了,我知道你肯定没搞明白。量子力学缔造者之一的玻尔曾经说过:如果你不对于量子理论感到困惑,那就说明你一定不懂量子力学。好吧,我承认我也没搞明白。

  理解这个实验的难点在于,你要放弃以往所学的所有的唯物论学说,把精力集中到“观察”二字上。为了更直观的理解,将实验过程视作事件。当所选参考系不同时,其不能等同于一个事件。当选取以猫为参考系时,命名为A事件,A事件结束状态即猫参考系的状态;当选取以外界观察者为参考系时,命名为B事件,未观察时,B事件尚未结束,A处于叠加态。观察后,B事件结束,叠加态坍缩,A呈现其最终状态。

  再通俗点解释:你的观察将直接导致事件的产生。。。。。。

  如果还没搞明白,再通俗点解释:这只猫死了,是你观察导致的;这只猫活着,也是你观察导致的!

  意不意外?!惊不惊奇?!你看一眼就能决定一只猫的死活。

  好吧,如果还没看懂,请您往前六个自然段,再看一遍。

  薛定谔的猫搞得物理学界一地鸡毛,哥本哈根学派彻底陷入迷茫,成功帮爱因斯坦扳回一局。其实,薛定谔想要借此探讨的物理问题是:宏观世界是否也遵从适用于微观世界的量子叠加原理。“薛定谔的猫”这一佯谬巧妙地把微观放射源和宏观的猫联系起来,旨在否定宏观世界存在量子叠加态。然而不幸的是,薛定谔也输了。

  为了便于理解下面的问题,我们还得借助另外两个令人“毛骨悚然”的实验。

  电子双缝干涉实验和延迟选择实验

  所谓电子双缝干涉实验,其实是量子力学中一个演示电子“波粒二象性”的实验。

  根据量子力学理论,像电子这类基本粒子,可以同时具有“粒子性”和“波动性”,如果让电子束从两个相互平行的狭窄缝隙中通过,然后这些电子会落在后面的探射屏上,通过对探射屏上产生的现象进行观察,科学家就可以验证“波粒二象性”的正确性。

  但后来科学家在电子双缝干涉实验中加入了“人类观测”行为后,神奇的事情发生了,当人类进行观察的时候,电子呈现粒子特性,当人类不进行观察的时候,电子则呈现波的特性。观察行为本身并没有干预实验的正常进行,只是视觉在人脑中的反映而已,观察行为并非是物质活动,那么为何非物质的观察行为会影响微观量子世界的物质粒子呢?背后的原因不禁令人毛骨悚然。

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  电子双缝干涉实验

  电子双缝干涉实验就已经很见鬼了,还有更见鬼的延迟选择实验。该实验是双缝实验的变体,最早由科学家惠勒在纪念爱因斯坦100年诞辰的活动上提出。后来,马里兰大学有个小组真的做了“延迟实验”,实验结果显示,人类的观测行为不仅可以影响微观粒子的状态,还可以改变微观粒子的因果关系,也就是说:人类在粒子做出选择后的观测行为,可以强行改变粒子之前做出的选择,这证明了在微观量子世界,因果关系不存在先后顺序,因、果能够先后、后先、甚至同时发生。玻尔给了个玄之又玄的解释:任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象。

  随着量子力学的发展,科学家已先后通过各种方式获得了宏观量子叠加态,科学家最多已经使4个离子或5个光子达到“薛定谔猫”态。近年来,量子纠缠、量子隧穿、量子涨落、量子跃迁等现象的发现极大地颠覆了我们在宏观世界的认知,不知我们的宇宙还有多少惊奇等待着人类前去探寻。

  至此,爱因斯坦与玻尔长达半个世纪的争论终告结束,爱因斯坦坚信人的观察行为不可能决定微观粒子的状态,微观粒子状态的决定性因素只能是物质本身,但延迟选择实验将爱因斯坦的绝对论彻底否定。

  平行宇宙理论

  我们先来看量子力学一个被哄传得很广的论调说:“当我们不观察时,月亮是不存在的”。脸皮再厚点说:只要我们不去观察,啥啥都是不存在的!

  如前所述,基本粒子充满了不确定性,既然月亮也是由粒子构成的,如果我们转过头不去看月亮,月亮的边缘就开始显得模糊而不确定,它逐渐“融化”,那一大堆粒子就按照波函数向宇宙弥散开去。当然这么大一个月亮完全融化是需要很长很长时间的。然而问题的实质是:如果不观察月亮,它就从确定的状态变成无数不确定状态的叠加。如果不观察它,一个确定的,客观的月亮是不存在的。但只要一回头,一轮明月便又高悬空中,似乎什么事也没发生过。

  事情发展到这一步,十万只羊驼在心里奔腾了有木有。就说酷不酷!再没有人站出来说句话,唯物论的大厦就算塌了。唯心主义已经呼之欲出了有木有。

  好吧,既然都解决不了这个问题,那薛定谔的猫也别死啊活的了。这只不过是宇宙分裂成了两个,一个有活猫,一个有死猫。对于有那个活猫的宇宙,猫是一直活着的,不存在死活叠加的问题。对于有死猫的宇宙,猫在原子衰变的那一刻就已经死了,不用等打开容器才“坍缩”,也不存在死活叠加的问题。好了,呱唧呱唧,皆大欢喜!

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  只要有需求,平行宇宙无限量供应。欧耶!!

  “什么??这尼玛也太流氓了,你说平行宇宙就平行宇宙啊?”

  “咋,相对论圆不上,爱因斯坦说时空扭曲还就时空扭曲呢。不服削你啊!”

  “好吧,你赢了。”

  都怪那只该死的薛定谔的猫。

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