薛定谔的猫~好奇害死猫

杰杰星人重返地球 2018-07-10 13:52:53

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不管是学哪个行业的,大概都听说过奇妙的量子现象。诸如测不准原理啦,薛定谔的猫之类的,在日常生活中看起来匪夷所思的现象,却是千真万确存在于微观的量子世界中。

许多人将听起来有些诡异的量子理论视为天书,从而敬而远之。有人感叹说:“量子力学,太不可思议了,不懂啊,晕!”


不懂量子力学,听了就晕,那是非常正常的反应。听听诺贝尔物理学奖得主,大物理学家费曼的名言吧。费曼说:“我想我可以有把握地讲,沒有人懂量子力学!” 量子论的另一创始人玻尔(Niels Bohr)也说过:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”既然连费曼和玻尔都这样说,我等就更不敢吹牛了。


因此,我们暂时不要奢望‘懂得’量子力学。此一系列文章的目的是让我们能够多‘了解’、多认识一些量子力学。因为量子力学虽然神秘,却是科学史上最为精确地被实验检验了的理论,量子力学经历了100多年的艰难历史,发展至今,可说是到达了人类智力征程上的最高成就。身为现代人,如果不曾‘了解’一点点量子力学,就如同没有上过因特网,没有写过email一样,可算是人生的一大遗憾啊。


那么我们先了解一下薛定谔是谁。薛定谔(E.Schr dinger ,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,就是以他而命名的。


‘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。


那么,首先我们需要了解,什么是‘叠加态’?根据我们的日常经验,一个物体某一时刻,总会处于某个固定的状态。比如我说:女儿现在‘在’客厅里,或是说:女儿现在‘不在’客厅里。要么在,要么不在,两种状态,必居其一。然而,在微观的量子世界中,情况却有所不同。微观粒子可以处于一种所谓‘叠加态’的状态中,这种状态是不确定的。例如,电子可以同时位于两个不同的地点:A和B,也就是说,电子既在A,又不在A。电子的状态是‘在’和‘不在’,两种状态按一定几率的叠加。电子的这种混合状态,叫做‘叠加态’。


聪明的读者会说:“女儿此刻‘在’或‘不在’客厅,看一眼就清楚了。电子在A,或是不在A,测量一下不就知道了吗?”说得没错,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‘坍缩’到‘在A’,或是‘不在A’,两个状态的其中之一。但是,微观与宏观之不同,是在于观测之前。女儿在不在客厅,观测之前已成事实,并不以‘看’或‘不看’而转移。而微观电子坍缩前的状态,并无定论,直到测量它,才因坍缩而确定。这是微观世界中量子叠加态的奇妙特点。


铺垫了这么多,我们现在来说说薛定谔的猫。


实验的假设是这样的,一只猫被封在一个密室里,密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子,锤子由一个电子开关控制,电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变,则放出阿尔法粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,释放出里面的氰化物气体,猫必死无疑。如果我们不揭开密室的盖子,根据我们在日常生活中的经验,可以认定,猫或者死,或者活。这是它的两种本征态。但是,如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫,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,才能确切地知道猫是死是活。此时,猫的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。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。量子力学告诉我们,存在一个中间态,猫既不死也不活,直到进行观察看看发生了什么。

这就是大名鼎鼎、威振科学界的“薛定谔的猫”,是著名物理学家薛定谔为责难同样也是著名物理学家玻尔的“哥本哈解释”而设想的一个“思维体操”。

如果你看不懂,那么我们再举个容易理解的例子。

有一枚硬币,一个箱子,一只猫。将箱子罩住猫和这枚在旋转的硬币,如果硬币停止旋转后正面朝上,那么硬币就会射出一道死光,猫必死无疑;如果反面朝上,则猫安然无恙。如果没有揭开箱子,进行观察,那你就不知道猫是死是活?因为这枚硬币可能还在旋转中……。但是只要你一打开箱子观察,硬币停止旋转立马会有一面朝上,这样你就知道猫是死是活。(请注意!不是发现而是决定,仅仅看一眼就能使旋转的硬币瞬间停止,即决定猫的生死!)注释:上面的硬币是微观粒子,旋转的硬币是粒子的量子态,一面朝上的硬币是粒子稳定态。

也就是说:你的观察将会决定猫的命运!

量子力学告诉我们:除非进行观测,否则一切都不是真实的。

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,要么死,要么活,怎么可能不死不活,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。


谈到哲学,小编联想到道家的大道唯一,天人合一;明代心学大师王阳明也说:“明明德者,立其天地万物一体之体也;亲民者,达其天地万物一体之用也”;佛家说众生一体,等等等等,如此而已。也许整个世界都处在一个叠加的状态中—一个整体。

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,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,但他没有完成这种设计就去世了。

格利宾在书中写道:“埃弗雷特……指出两只猫都是真实的。有一只活猫,有一只死猫,但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。唯一的区别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,所以他接着说:“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,上帝不会掷骰子”的理论,因为这符合他的推论。

关于薛定谔的猫,包括爱因斯坦在内的许多非主流科学家是持怀疑态度的,他们认为:这个原因是由“平行宇宙”(MWI)造成的,即: 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。唯一的区别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。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。

如果平行宇宙理论是正确的,那么对于某人来说,他无论如何死去都不会真死!如果他被子弹打死,那么因为组成子弹的是一群符合 波动方程 的 粒子 ,所以总有一个非常非常小的可能性,以某种方式丝毫无损地偏离该人的脖子,从而保持该人不死!当然这个概率极小极小,但按照MWI,一切可能发生的都实际发生了,所以这个现象总会发生在某个宇宙!其实不管换什么方式死亡都一样,跳楼也好,卧轨也好,上吊也好,总存在那么一些宇宙,让他还活着。从该人自身的视角来看,他怎么死都死不掉!当然在其他无穷个宇宙里,他的亲朋好友却要为他哀悼了。这实际上也是薛定谔猫的一个真人版。


尽管量子现象显得如此神秘。然而,量子力学的结论却早已在诸多方面被实验证实,被学术界接受,在各行各业还得到各种应用,量子物理学对我们现代日常生活的影响无比巨大。以其为基础而产生的电子学革命及光学革命将我们带入了如今的计算机信息时代。可以说,没有量子力学,就不会有今天所谓的‘高科技’产业。


如何解释量子力学的基本理论,仍然是见仁见智,莫衷一是。这点也曾经深深地困扰着它的创立者们,包括伟大的爱因斯坦。微观叠加态的特点与宏观规律如此不同,物理学家如薛定谔也想不通。于是,薛定谔在1935年发表了一篇论文,题为《量子力学的现状》,在论文的第5节,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!物理学家们对此佯谬一直众说纷纭、争论至今。


连当今伟大的物理学家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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