薛定諤的貓(1 / 3)

什麼是?

“”是由奧地利物理學家薛定諤於195年提出的有關貓生死疊加[1]的著名思想實驗,是把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界的推演。這裏必須要認識量子行為的一個現象:觀測。微觀物質有不同的存在形式,即粒子和波。通常,微觀物質以波的疊加混沌態存在;一旦人的意識參與到觀測行為中,它們立刻選擇成為粒子。實驗是這樣的:在一個盒子裏有一隻貓,以及少量放射性物質。之後,有50%的概率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓,同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。

根據經典物理學,在盒子裏必將發生這兩個結果之一,而外部觀測者隻有打開盒子才能知道裏麵的結果[]。在量子的世界裏,當盒子處於關閉狀態,整個係統則一直保持不確定性的波態,即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開後,外部觀測者觀測時,物質以粒子形式表現後才能確定。這項實驗旨在論證量子力學對微觀粒子世界超乎常理的認識和理解,可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理,客觀規律不以人的意誌為轉移,貓既活又死違背了邏輯思維。

本身是一個假設的概念,隨著技術的發展,人們在光子、原子、分子中實現了薛定諤貓態,甚至已經開始嚐試用病毒來製備薛定諤貓態,如劉慈欣《球狀閃電》中變成量子態的人,人們已經越來越接近實現生命體的薛定諤貓[]。可是另外一方麵,人們發現薛定諤貓態(量子疊加態)本身就在生命過程中存在著,且是生物生存不可缺少的[]。

理想實驗

(Shr?dinger'sa)是關於量子理論的一個理想實驗。

盡管量子論的誕生已經過了一個世紀,其輝煌鼎盛與繁榮也過了半個世紀。量子理論曾經引起的困惑至今仍困惑著人們。正如玻爾的名言:“誰要是第一次聽到量子理論時沒有感到困惑,那他一定沒聽懂。”是諸多量子困惑中有代表性的一個。一隻貓被封在一個密室裏,密室裏有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個錘子,錘子由一個電子開關控製,電子開關由放射性原子控製。如果原子核衰變,則放出阿爾法粒子,觸動電子開關,錘子落下,砸碎毒藥瓶,釋放出裏麵的******氣體,貓必死無疑。原子核的衰變是隨機事件,物理學家所能精確知道的隻是半衰期——衰變一半所需要的時間。如果一種放射性元素的半衰期是一,則過一,該元素就少了一半,再過一,就少了剩下的一半。物理學家卻無法知道,它在什麼時候衰變,上午,還是下午。當然,物理學家知道它在上午或下午衰變的幾率——也就是貓在上午或者下午死亡的幾率。如果我們不揭開密室的蓋子,根據我們在日常生活中的經驗,可以認定,貓或者死,或者活。這是它的兩種本征態。如果我們用薛定諤方程來描述薛定諤貓,則隻能,它處於一種活與不活的疊加態。我們隻有在揭開蓋子的一瞬間,才能確切地知道貓是死是活。此時,貓構成的波函數由疊加態立即收縮到某一個本征態。量子理論認為:如果沒有揭開蓋子,進行觀察,我們永遠也不知道貓是死是活,它將永遠處於半死不活的疊加態,可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理,客觀規律不以人的意誌為轉移,貓既活又死違背了邏輯思維。

薛定諤挖苦:按照量子力學的解釋,箱中之貓處於“死-活疊加態”——既死了又活著!要等到打開箱子看貓一眼才決定其生死。(請注意!不是發現而是決定,僅僅看一眼就足以致命!)正像哈姆雷特王子(引用自蘇格拉底的名言)所:“生存還是死亡,這是一個問題。”隻有當你打開盒子的時候,疊加態突然結束(在數學術語就是“波函數坍縮(llapse)”),哈姆雷特王子的猶豫才終於結束,我們知道了貓的確定態:死,或者活。哥本哈根的幾率詮釋的優點:隻出現一個結果,這與我們觀測到的結果相符合。有一個大的問題:它要求波函數突然坍縮,可物理學中沒有一個公式能夠描述這種坍縮。盡管如此,長期以來物理學家們出於或許實用主義的考慮,還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價:違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿於懷了。

哥本哈根詮釋在很長的一段時間成了“正統的”、“標準的”詮釋。那隻不死不活的貓卻總是像惡夢一樣讓物理學家們不得安寧。格利賓在《尋找》中想告訴我們,哥本哈根詮釋在哪兒失敗?以及用什麼詮釋可以替代它?

1957年,休·埃弗萊特提出的“多世界詮釋”似乎為人們帶來了福音,由於它太離奇開始沒有人認真對待。格利賓認為,多世界詮釋有許多優點,由此它可以代替哥本哈根詮釋。我們下麵簡單介紹一下休·埃弗萊特的多世界詮釋。

格利賓在書中寫道:“埃弗萊特……指出兩隻貓都是真實的。有一隻活貓,有一隻死貓,它們位於不同的世界中。問題並不在於盒子中的放射性原子是否衰變,而在於它既衰變又不衰變。當我們向盒子裏看時,整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其餘的各個方麵都是全同的。唯一的區別在於其中一個版本中,原子衰變了,貓死了;而在另一個版本中,原子沒有衰變,貓還活著。”

也就是,上麵的“原子衰變了,貓死了;原子沒有衰變,貓還活著”這兩個世界將完全相互獨立地演變下去,就像兩個平行的世界一樣。格利賓顯然十分讚賞這一詮釋,故他接著:“這聽起來就像科幻,然而……它是基於無懈可擊的數學方程,基於量子力學樸實的、自洽的、符合邏輯的結果。”“在量子的多世界中,我們通過參與而選擇出自己的道路。在我們生活的這個世界上,沒有隱變量,上帝不會擲骰子,一切都是真實的。”按格利賓所,愛因斯坦如果還活著,他也許會同意並大大地讚揚這一個“沒有隱變量,‘上帝’不會擲骰子”的理論。

這個詮釋的優點:薛定諤方程始終成立,波函數從不坍縮,由此它簡化了基本理論。它的問題:設想過於離奇,付出的代價是這些平行的世界全都是同樣真實的。這就難怪有人:“在科學史上,多世界詮釋無疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論。”

量子相幹性。1996年5月,美國科羅拉多州博爾德的國家標準與技術研究所(NIS)的nre等人用單個鈹離子做成了“”並拍下了快照,發現鈹離子在第一個空間位置上處於自旋向上的狀態,而同時又在第二個空間位置上處於自旋向下的狀態,而這兩個狀態相距80納米之遙!(1納米等於1毫微米)——這在原子尺度上是一個巨大的距離。想像這個鈹離子是個通靈大師,他在紐約與喜馬拉雅同時現身,一個他正從摩樓頂往下跳傘;而另一個他則正爬上雪山之巔!——量子的這種“化身博士”特點,物理學上稱“量子相幹性”。在早期的楊氏雙縫實驗中,單個光粒子即以優美的波粒二象性,輕巧地同時穿過兩條狹縫,在觀察屏上製造出一幅美麗的明暗相幹條紋。

薛定諤方程埃爾溫·薛定諤在0世紀0年代中期創立了現在被稱為量子力學分支中的一個方程。後來被稱之為薛定諤

現六光子薛定諤貓態

方程:▽ψ(,y,z)+(8π/h)[E-U(,y,z)]ψ(,y,z)=0

量子理論是0世紀科學的重大進展之一,由於量子力學對傳統觀念所帶來的巨大衝擊,連“量子”的提出者在內的科學家都想盡各種辦法拒絕它,或做出各種調和性的解釋。事實上,薛定諤就被量子力學的結果弄得心神不安,他不喜歡波粒二象性的二元解釋以及波的統計解釋,試圖建立一個隻用波來解釋的理論。