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(浅谈量子力学)之薛定谔的猫

时间:2023-01-10

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本系列是想用尽量通俗的语言介绍量子纠缠,为了便於大家阅读,下面先从量子理论开始。

即使是初中同学,也会听说过一些量子现象。例如测不准关系,薛定谔猫等,在日常生活中这类现象匪夷所思,却是千真万确存在於微观领域。我不奢望大家阅读这个帖子后就能懂得量子力学,就能知道量子纠缠,我只希望能让大家多了解一些量子力学知识。量子力学与相对论一起合称为近代物理。近代物理经历了100多年的艰难,发展至今,可以说达到了人类智力征程上的最高成就。身为现代人,如果不了解一点点近代物理,就如同没有上过互联网,没有发过email一样,算得上是人生一大遗憾。近代物理很多内容与我们一些想法常有冲突,面对这类冲突不同的人可以采取不同的态度,一种态度是坚信自己的想法正确,客观事实必须服从自己的想法,另一种态度是认为自己的想法可能有误,修改自己的想法使之符合客观实际。每个人都可以做出自己的选择,别人不便强求。本文介绍的内容,仅仅是我了解到的“客观事实”,我把它发出来供大家参考。

一:薛定谔,猫薛定谔(Erwin Schrodinger, 1887-1961)是奥地利著名物理学家、量子力学的创始人之一,曾获1933年诺贝尔物理学奖,量子力学中描述原子、电子等微观粒子运动的薛定谔方程,就是以他的名字命名的。

“薛定谔的猫”也称“薛定谔佯谬”,是指薛定谔为说明量子力学中的“叠加态”设计的一个思想实验而导致的佯谬。下面先说说什麼叫“叠加态”从日常经验我们知道,一个人或一个物体在某一确定的时刻,总会处在某个确定的状态。例如我说:老王现在在家,或者说老王现在不在家。要么在,要么不在,两种状态必居其一,没有例外。然而在微观世界中,事情却有所不同。微观粒子可以处於一种所谓“叠加态”的状态中。例如,电子可以同时位於不同的地点A或B,也就是说,电子既在A,又不在A,电子的状态是“在”和“不在”,两种状态按一定机率的叠加,电子的这种混合状态叫叠加态。

大家一定会说:“老王此刻在或不在家”,打他的手机问问就清楚了,电子在A或不在A,测量一下不就知道了吗?。说的没错!用物理语言说,我们给老王打电话,相当於我们对他进行了测量,当我们对老王测量时,他的状态不会因为我们测量而改变,但电子却不同,当我们对电子的状态进行测量时,电子的叠加态不复存在,而是立刻塌缩到“在A”或“不在A”两个状态之一。

值得强调,宏观与微观的不同之处在於观察之前。老王是否在家,打电话之前已是事实,并不以我们是否给他打电话而转移。而微观电子塌缩前的状态,并无定论,直到测量,它才因塌缩而确定。这是微观世界中量子叠加态的奇妙特点,这与宏观现象截然不同。确实,相对论与量子力学有些现象与日常习惯差别很大,显得神秘且不可思议。然而相对论与量子力学的很多结论却早已在诸多方面被实验证实,被学术界接受,且在各行各业中得到各种应用。当我们到了一个完全陌生的地方,开车不用问路,GPS自动告诉你该如何走,在相对论诞生之前,这简直是神话,说敢相信?我们用的计算机性能日渐提高,20年前又有谁会用互联网?(当时有互联网吗?)如今已经进入到近代物理时代,可以这样说,没有相对论及量子力学,就不会有今天的所谓高科技产业。

如何解析量子力学的基本理论,仍然是见仁见智,说法不一。这点也曾经深深地困扰它的创立者,包括众多的诺贝尔获奖者。微观叠加态的特点与宏观现象如此不同,连量子力学的创建者之一的薛定谔也想不通。1935年薛定谔发表了一篇论文,题目叫【量子力学的现状】,在这篇论文里,薛定谔编出了一个“薛定谔猫”的理想实验,试图将微观不确定性变为宏观不确定性,微观的迷惑变为宏观的佯谬,以引起大家的注意。果不其然,物理学家对此佯谬一直众说纷纭争论至今。

以下是‘薛定谔猫’的实验描述。把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子连接到一个装置,其中包含一个原子核和毒气设施。设想这个原子核有50%的可能性发生衰变。衰变时发射出一个粒子,这个粒子将会触发毒气设施,从而杀死这只猫。根据量子力学的原理,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,因此,那只可怜的猫就应该相应地处于‘死’和‘活’的叠加态。非死非活,又死又活,状态不确定,直到有人打开盒子观测它。实验中的猫,可类比于微观世界的电子(或原子)。在量子理论中,电子可以不处于一个固定的状态(0或1),而是同时处于两种状态的叠加(0和1)。如果把叠加态的概念用于猫的话,那就是说,处于叠加态的猫是半死不活、又死又活。量子理论认为:如果没有揭开盖子进行观察,薛定谔的猫的状态是‘死’与‘活’的叠加。此猫将永远处于同时是死又是活的叠加态。这与我们的日常经验严重相违。一只猫,要麽死,要麽活,怎麽可能不死不活,半死半活呢?别小看这一个听起来似乎荒谬的物理理想实验。它不仅在物理学方面极具意义,在哲学方面也引申了很多的思考。在古代哲学思想中,就有这种似是而非、模棱两可的说法,你中有我,我中有你,一就是二,二就是一,合二而一,天人合一等。有人如此来比喻‘薛定谔的猫’:男女在开始恋爱前,不知道结果是好或者不好,这时,可以将恋爱结果看成好与不好的混合叠加状态。如果你想知道结果,唯一的方法是去试试看,但是,只要你试过,你就已经改变了原来的结果了!薛定谔的本意是要用‘薛定谔猫’这个实验的荒谬结果,来嘲笑哥本哈根学派对量子力学,对薛定谔方程引进的‘波函数’概念的几率解释,但实际上,这个假想实验使薛定谔自己站到了自己奠基的理论的对立面上,难怪有物理学家调侃地说到薛定谔:“薛定谔不懂薛定谔方程!”

综上所述,建立了微观世界中粒子的波函数所遵循的薛定谔方程。然后,薛定谔不同意哥本哈根派对波函数的解释,设计了“薛定谔的猫”的思想实验。用薛定谔自己的话来说,他要用这个“恶魔般的装置”,让人们闻之色变。薛定谔希望达到下面目的:“看吧,如果你们将波函数解释成粒子的几率波的话,就会导致一个既死又活的猫的荒谬结论。因此,几率波的说法是站不住脚的!”这只猫的确令人毛骨悚然,相关的争论一直持续到今天。连霍金也曾经愤愤地说:“当我听说薛定谔的猫的时候,我就跑去拿枪,想一枪把猫打死!”在宏观世界中,既死又活的猫不可能存在,但许多许多实验都已经证实了微观世界中叠加态的存在。总之,通过薛定谔的猫,我们认识了叠加态,以及被测量时叠加态的坍缩。叠加态的存在,是量子力学最大的奥秘,是量子现象给人以神秘感的根源,是我们了解量子力学的关键。

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