公司动态 分类
「薛定谔的猫」是指什么?三亿体育

  三亿体育这个问题下大多数抖机灵的答案都是错误的,尤其是那个什么向女神表白的,还600多个赞,真是够了。

  很多人对薛定谔的猫的理解可以概括成一句话:“猫在箱子里在“死的”或者“活着”两种状态之一的概率各是50%,只有打开箱子才会知道是死”或者“活”。

  量子力学的特别之处在于,它允许猫在“死”和“活”两种状态之间存在中间态。

  在薛定谔的猫佯谬的设定下,a和b均为1/Sqrt[2].这个叠加态和“50%概率死,50%概率活”的意义是截然不同的!这意味着猫既不是死的也不是活的!

  作为类比,考虑另一个典型的问题,杨氏双缝问题,当光源只发出一个光子时,在外界未施以观测的情况下,光子既不是通过上面的缝(up)也不是通过下面的缝(down),而是处在状态

  最后再强调一遍:薛定谔的猫既不是活的也不是死的,更不是50%概率活50%概率死,而是处在生和死的叠加态,这个叠加态无法用经典直观的语言描述。这才是薛定谔的猫的特殊之处!

  根据我们的日常经验以及经典物理的观点, 一个物体在某一时刻, 总会处于某个确定的位置. 比如此刻你在用的鼠标它就在那个确定的位置. 再比如, 我将一颗小球“随机”的放入盒子A或者B中, 那么这个小球不在A盒子中就在B盒子中, 两者必居其一.

  然而, 对于一个量子系统, 情况大不相同. 比如对于一个氢原子, 按照经典物理的认识, 是一个电子绕着质子作“轨道运动”. 但事实上, 电子并不是在绕着质子像行星绕着太阳那样转动, 我们无法知道电子的运动轨迹和方向,只能用电子云来描述电子在核外出现的几率,或者可以说电子同时处在电子云中的任何一个位置, 只是在各个不同位置的几率是不一样的. 电子同时处在不同位置组合状态, 叫做‘叠加态’. 这是微观世界中量子叠加态的奇妙特点.

  1935年, 薛定谔对EPR(爱因斯坦-波多尔斯基-罗森, 1935)论文[2]做了一次讨论. EPR论文提到了量子叠加态的奇特性质, 其中就有对于诸如一个原子或光子的量子系统所处状态的描述, 量子系统的状态可以看作是处于所有可能结果的多重态的组合态. 哥本哈根诠释认为, 一个量子系统, 当它与外部世界发生相互作用、或着被外部世界测量时, 系统的叠加态将坍缩成某一种可能的确定态. 否则, 将一直保持在叠加状态.

  薛定谔为了反驳量子力学的根本哈根诠释的“荒谬”, 设计了一个思想实验, 在这个思想实验中引入了一只既死又活的猫. 这只猫就是有名的“薛定谔的猫”, 这是一只处在同时既死又活的“叠加态猫”.

  把一只猫放进一个封闭的盒子里, 这个封闭的盒子内放置一个放射性原子、盖革计数器和毒气释放装置. 假定这个放射性原子在一小时内有50%的可能性发生衰变, 衰变时发射出一个粒子, 这个粒子将会被盖革计数器探测到, 进而触发毒气装置释放毒气, 将猫杀死. 那么, 一小时之后, 这只猫是死是活呢?

  猫的生死将取决于放射性原子的状态, 看它是否发生衰变. 这样, 薛定谔就将微观系统的状态与宏观事物的状态一一对应. 而微观粒子的状态可以用波函数来描述, 那么依照薛定谔的思想实验, 猫的生死状态将由波函数描述. 并且由于放射性原子核处于量子叠加态, 因此, 猫也将处于生死叠加态.

  , 其中│e表示原子核的衰变态, │g表示原子核的稳定态.

  在打开箱子之前, 放射性原子处于衰变与不衰变的叠加态, 这时猫也处于叠加态. 根据量子力学原理, 对于一个叠加态进行测量将导致叠加态塌缩到定态. 同样地, 当我们对“薛定谔的猫”进行观察将导致“叠加态的猫叠”“塌缩”到死或者活. 这就是说, 打开盒子前, 那只猫究竟是死是活, 取决于出现的量子跃迁. 但从另一方面说, 猫的生或死, 在很大程度上将是打开盒子的结果. 直到打开盒子以前,不幸的猫继续纠结于自己的死活状态之中. 理论上讲, 猫还是知道它自己是活的还是死的. 根据常理, 猫的生死是打开盒子前的“客观存在”. 但根据量子测量假说, 处在叠加态的猫, 他的死活决定于打开盒子后的“观察”. 看上去这个推论是不合理的, 因而称之为“薛定谔猫佯谬”.

  严格来讲, 猫的生死与放射性原子的衰变是处于一种关联状态. 叠加态的猫可以描述为│

  =│eⓧ│死猫+│gⓧ│活猫, 其中第一个分量表示死猫与原子核的衰变态的关联, 第二个分量表示活猫与原子核的稳定态的关联. 这样的一种关联态实际上是量子纠缠态.

  关于薛定谔的猫, 包括爱因斯坦在内的许多科学家是持怀疑态度的. 有人认为:这个原因是由“平行宇宙”造成的, 即: 当我们打开盒子观察时, 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. 在量子多重世界中, 我们通过参与而选择出自己的道路. “平行世界” 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. 但问题是:设想过于离奇, 付出的代价是这些多重宇宙全都是同样真实的. 这就难怪有人说:“在科学史上, 多重世界诠释无疑是目前所提出的最大胆、最野心勃勃的理论.”

  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.

  繁星悟语······················································用Python做科学计算

  计算物理·······················································本科物理与研究生物理

  知乎体科普···················凝聚态物理101问与答··················物理干货铺··················Python收纳盒

  学术黑名单···················劝退实验室······································学习资源站

  「薛定谔的猫」是薛定谔设计的一个思想实验,目的是对「人类意识具有特殊的独特地位」说法进行的嘲讽。划重点,嘲讽,或者说反讽。

  它的意思是:如果哥本哈根派物理学家们认为人类意识具有特殊地位,那么按照薛定谔的实验操作,就会制造一只即死又活的猫,而即死又活的猫显然是荒谬的。从而,薛定谔暗示,人类意识决定波函数坍缩,这个观点是荒谬的,爱因斯坦也这么认为。

  在量子物理中,认为微观粒子本身处于波函数定义的所有状态的叠加态,只有当对该微观粒子的具体状态进行测量时,波函数才坍缩到某个特定的值,你才能知道该粒子究竟处于什么状态。

  有关「观测导致波函数坍缩」这一点,虽然有争议,但基本上还算是主流观点,有异议的是「什么叫做观测」。

  A:一种学派认为,只有触发了人类的意识,才被视为观测,而仪器的测量不视为观测,阿猫阿狗的意识也不视为观测。

  B:另外一种学派认为,任何形式的有效测量均视为观测,此测量并不要求人类的意识介入。

  当然,其实还有其它理论,有关量子物理解释的理论至少能从A排列到M,不过与该话题最相关的理论就是以上所说的两个。

  按照学派 A 的观点,叠加态将在观测仪器之间传递,直到最终被人类意识观测到为止。

  换句话说,在A观点中,假定某个粒子存在 0,1 两种状态,但在波函数坍缩之前它处于所有状态的叠加。使用某个电子仪器观测粒子的状态不会导致波函数坍缩,而是导致该电子仪器进入观测到 0 与 1 的叠加态,如果该电子仪器将观测的结果打印到打印纸上,则这张打印纸也会呈现打印 0 以及打印 1 的叠加态,这张纸片在被具有意识的人类(死人显然不算)看见的那一瞬间,坍缩到某个特定的状态(打印0或者打印1)。——因此,按照A学派观点,薛定谔制造的一系列仪器,将最终测量结果传递给猫,整套仪器对结果进行了测量因而全进入了叠加态,没有人类意识的介入之前都不会导致波函数坍缩,所以整套仪器,包括最终的猫的死活,都会进入叠加状态,直到被人类意识看见为止,在人类看见的那一瞬间,猫在此之前的命运才被决定。

  按照学派 B 的观点,结果就完全不同,因为有效的测量均会导致波函数坍缩,而实验中的盖革计数器就是一种有效的测量。因此,即便没有人类,用仪器去测量时微观粒子的波函数也依然会产生坍缩,仪器本身不会处于叠加态而是准确的记录了测量结果,最终传递给猫的「有毒药没毒药」这个信息也同样不会处于叠加态,这只猫显然也并不会处于生死叠加态,在最初仪器检测该粒子的时刻,波函数就已经坍缩,一切就被决定了。

  按照学派 B 的观点,叠加态不可在宏观物体间传递,宏观物体对微观粒子的测量可导致波函数坍缩,即便没有人类意识的介入。——如果叠加态允许在宏观物体间传递,那么就会导致薛定谔的猫这样的荒谬结果。这样看来,薛定谔的思想实验本意是用来对学派 A 观点进行归缪。

  不过,学派 A 跟学派 B 的观点都不违背量子物理学,因为两者都承认观测导致波函数坍缩,仅仅对于观测的定义有所不同。

  目前为止,似乎没有办法通过实验认定学派 A 与学派 B 究竟谁是正确的。无论哪种解释,最终人类观测到的现象都没有区别,虽然学派 A 的观点听起来更加荒谬,但很难认定它就是错的。

  所以,时至今天,依然有人认为薛定谔的处于生死叠加态的猫是实际可能存在的,毕竟我们无法证伪学派 A 的观点。但,已经有越来越多的物理学家们支持学派 B 的观点,认为量子物理中对观测的定义应该定义为测量,而这并不需要人类意识的介入。

  当然,也许将来证明A跟B都是错的。不过无论如何,薛定谔的猫,是通过表达某种在常理看来荒谬的结果,来试图推翻某个理论的行为。他表达的荒谬结果就是:宏观物体的量子叠加态。

  这个生活大爆炸里讲的很通俗、、、是关于一个理想状态下的一个关于量子理论的实验,假象把一只猫放进一个密闭且不透明的盒子里,盒子里有一个毒瓶,毒瓶与一个放射性原子核组成一个理想装置,假定该原子核一小时内有50%的可能发生衰变,并且该原子核衰变时会触发装置打开毒瓶,那么在你不打开盒子的情况下你就不会知道猫是活着还是死了。

  薛定谔说:按照量子力学的解释,箱中之猫处于“死-活叠加态”——既死了又活着。要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。

  即原子核处于衰变与不衰变的叠加状态,那么猫就处于死于活的叠加状态。这使量子力学的微观不确定性变为宏观不确定性,微观的混沌变为宏观的荒谬——猫要么死了,要么活着,两者必居其一,不可能同时既死又活。

  116 年前的 12 月 12 日,马可尼收到横跨大西洋、人类史上第一个无线电信号的那一天。

  包括马可尼自己,当时没有人能够想象三亿体育,在接下来的一百多年,通信会把世界变成什么样子。

  2016 年 8 月 16 日,世界第一颗量子通信卫星「墨子号」从酒泉发射的那一天。

  就像当年的马可尼一样,我们也无从想象,未来的量子计算与量子通信,终将带来一个怎样的魔法时代。

  5 年后,人人都会用无法破解的加密网络刷信用卡。你还觉得量子理论是象牙塔里的黑科技,和你的生活毫无关系?

  如果你完全不懂量子力学,请放心大胆地往下看,我保证不用任何公式就能让你秒懂,连 1+1=2 的幼儿园数学基础都不需要。

  如果你自以为懂量子力学,请放心大胆地往下看,我保证你看完会仰天长叹:什么是量子力学啊?

  正如量子力学大师费曼所说:没有人懂量子力学。如果你觉得懂了,那肯定不是真懂。

  在烧脑、反直觉和毁人三观方面,没有任何学科能够和量子力学相比。如果把理工男最爱的大学比作霍格沃兹魔法学校,那么唯一和量子力学专业相提并论的,只能是黑魔法。

  然而,量子理论之所以如此神秘,并不是因为物理学家的故弄玄虚。其实,在量子理论刚诞生的摇篮时期,它只是一门人畜无害的学科,专门研究电子、光子之类小玩意儿。

  而「量子」这个现在看来很厉害的名字,本意不过是指微观世界中「一份一份」的不连续能量。

  20 世纪初,物理学家开始重点纠结一个纠结了上百年的问题:光,到底是波还是粒子?

  很多著名科学家(牛顿、爱因斯坦、普朗克)做了很多权威的实验,确凿无疑地证明了光是一种粒子。

  很多著名科学家(惠更斯、杨、麦克斯韦、赫兹)做了很多权威的实验,确凿无疑地证明了光是一种波,电磁波。

  于是自古以来,塞伯坦星上的科学家就分成两派:波派和粒派,两派之间势均力敌的百年撕逼战争从未分出胜负。

  很多人问我:科学家为什么要为这种事情势不两立,大家搁置争议、共同研究不就得了。

  且问你:《权力的游戏》中,信奉七神的维斯特洛人民,为何要与信奉旧神的关外野人拼个你死我活?

  唯一的和谐社会可能是古希腊:他们的神多达百八十号,有管天上、有管地下,各路神仙各司其职,倒也井水不犯河水。

  要命的是,科学家们信仰的神只有一个,而且是放之宇宙而皆准的全能大神。这位神祇的名字,叫作真理。

  大到宇宙的诞生,小到原子的运转,科学家们相信,这个世界的万事万物都是基于同一个规律,可以用同一个理论,甚至同一套方程解释一切。比如,让苹果掉下来把牛顿砸晕的是万有引力,让月亮悬在空中掉不下来的也是万有引力。用同一个方程,既能算出地球的质量,也能让马斯克的猎鹰九号火箭上天,这就是科学的威力。

  当然,科学家们没有谁敢自称是真理的代言人,就连牛顿谦虚起来都是这样的:「我只是一个在海滩上捡贝壳的孩子,而真理的大海,我还没有发现啊!」

  整个科学史,就像一个集卡拼图的过程。做实验的科学家们每发现一个科学现象,搞理论的科学家们就绞尽脑汁推测它背后的运行规律。不同领域的大牛把各方面的知识、理论慢慢拼到一起,真理的图像就渐渐清晰。

  在 20 世纪初,光学的知识储备和数学理论越来越完善。大家逐渐觉得,这一块的真相总算有希望拼出来了——结果却发现,波派和粒派的理论早已背道而驰,还各自越走越远。这就好比你集了一辈子卡片,自以为拼得差不多了。这时突然发现,你拼出的图案居然和别人是不一样的,而且差的不是一点点!

  双方僵持不下直到 1924 年,终于有人大彻大悟:波 or 粒,为什么光不能两者都是呢?

  也许在某些时候,粒子看起来就像是波;在另一些时候,波看起来就像是粒子。波和粒如同阴阳一般相生相克,就像一枚硬币的正反两面(波粒二象性),只不过我们一直以来都在盲人摸象、各执一词。

  用一个发射光子的机枪对着双缝扫射,从缝中漏过去的光子,打在缝后面的屏上,就会留下一个光斑。(等效于 1961 年电子双缝干涉实验)

  光子像机枪发射的子弹一样笔直地从缝中穿过,那么屏幕上留下的一定是 2 道杠,因为其他角度的光子都被板挡住了。

  光子穿过缝时,会形成 2 个波源。两道波各自震荡交汇(干涉),波峰与波峰之间强度叠加,波峰与波谷之间正反抵消,最终屏幕上会出现一道道复杂唯美的斑马线(干涉条纹)。

  是波是粒还是二合一,看屏幕结果一目了然,无论实验结果如何,都在我们的预料之中。

  这样,我们再做一次实验,把光子一个一个地发射出去,看会怎么样,一定会变成两道杠的!

  结果:斑马线,竟然还是斑马线,怎么可能?我们明明是一、个、一、个把光子发射出去的啊!

  最令人震惊的是,一开始光子数量较少时,屏幕上的光点看上去一片杂乱无章,随着积少成多,渐渐显出了斑马线条纹!

  问题是:根据波动理论,斑马线来源于双缝产生的两个波源之间的干涉叠加;而单个光子要么穿过左缝、要么穿过右缝,穿过一条缝的光子到底是在和谁发生干涉?

  难道……光子在穿过双缝时分裂成了两个?一个光子分裂成左半光子和右半光子,自己的左手和右手发生了关系?事情好像越来越复杂了。干脆一不做二不休,我们倒要看看,光子究竟是怎样穿过缝的。

  第三次实验:在屏幕前加装两个摄像头,一边一个左右排开。哪边的摄像头看到光子,就说明光子穿过了哪条缝。同样,还是点射模式发射光子。

  结果:每次不是左边的摄像头看到一个光子,就是右边看到一个。一个就是一个,从来没有发现哪个光子分裂成半个的情况。

  大家都松了一口气。光子确实是一个个粒子,然而在穿过双缝时,不知怎么就会变形成两道波同时穿过,形成干涉条纹。

  虽然诡异了些,不过据说这就是波粒二象性了,具体细节以后再研究吧,这个实验做得人都要精分了。

  一个貌似简单的小实验做到这份上,波和粒子什么的已经不重要了,重要的是现在全世界的科学家都懵逼了。

  在球迷看来:球进还是不进,和射手是不是 C 罗、梅西有关,和对方门将的状态有关,和裁判收没收钱说不定还有关。

  在科学家看来:有关的东西更多,比如球的受力、速度和方向,距离球门的距离,甚至草皮的摩擦力、球迷吼声的分贝数等等。

  不过,只要把这些因素事无巨细地考虑到方程里计算,完全可以精确预测三秒后球的状态。但无论是谁,大家都公认的是,球进与不进,至少和一件事情是绝对无关的:

  无论你用什么品牌的电视,无论电视的屏幕大小、清晰度高低、质量好坏,无论你看球时是在喝啤酒还是啃炸鸡,当然更无论你看不看电视直播——该进的球还是会进,该不进就是不进,哪怕你气得把电视机砸了都没用。

  双缝干涉的第三次实验证明了,在其他条件完全相同的情况下,球进还是不进,直接取决于在射门的一瞬间,你看还是不看电视!

  光子从发射器射向双缝,就好比足球射向球门;用摄像头观测光子是否进缝、怎么个进法,就好比用电视机看进球。

  第三次实验与第二次的唯一区别,就是实验 3 开了摄像头观察光子(看电视),实验 2 没放摄像头(不看电视)——两次实验的结局竟截然不同。

  难道说,「光子是什么」这一客观事实,是由我们的观察(放不放摄像头)决定的?

  在所有人懵逼的时候,还是有极少数聪明人,勇敢地提出了新的理论: 光子,其实是一种智能极高的外星 AI 机器人。

  之所以观察会导致实验结果不同,是因为光子在你做实验之前就悄悄侦查过了,如果发现有摄像头,它就变成粒子形态;如果发现是屏幕,就变成波的形态。

  难道机器人阿童木真的存在?(「阿童木」是日语「アトム」的发音直译,词语源自英语「Atom」,意即「原子」)

  这种扯淡理论居然没被口水喷死,还要做实验去验证它,可见科学家们已经集体懵逼到了什么地步。

  我们算好光子穿过缝的时机,等它穿过之后,再以迅雷不及掩耳之势加上摄像头。(等效于 1978 年惠勒延迟选择实验)

  无论加摄像头的速度有多快,只要最终加上了摄像头,屏幕上一定是两道杠;反过来,如果一开始有摄像头,哪怕在最后一刻秒秒钟撤掉,屏幕上一定是斑马线。

  回到看球赛的那个例子,就好比:我先闭上眼睛不看电视,等球员完成射门、球飞出去 3 秒钟后,我突然睁开眼睛,球一定不进,百试百灵。

  在你冲出门去买足彩之前,我先悄悄提醒你:这种魔咒般的黑科技,目前只能对微观世界的基本粒子起作用。要用意念控制足球这样的大家伙,量子还做不到啊!

  请注意,加不加摄像头,是在光子已经穿过双缝之后再决定的。不管光子在穿缝的时候变成什么形态,过了缝应该就定型了。

  既然光子的状态在加摄像头之前就定型了,为什么实验结果还是能在最后一刻发生变化?

  难道说,在之后做出的人为选择(未来),能够改变之前已经发生的事实(历史)?

  而且,加摄像头的速度,可以做到非常快(40 纳秒)。就算光子真的是个狡猾的微型变形金刚,当它变成波的形态穿过双缝,在最后一刻却发现面前是一个摄像头时,它也来不及再次变身了吧?

  好端端一个实验弄得谣言四起,物理学家们纷纷感到几百年来苦心经营的科学体系正在崩塌。

  为了一只猫的死活,100 年前的天才哲学家,学历最高的足球运动员,撩妹无数的量子力学教授……他们都在纠结个啥?

  另一些人,却恰恰相反——他们做任何事,都是为了纠结,下面我要说的,就是另一些人的故事。

  23 岁三亿体育,是时候做个决定了。比自己小两岁的弟弟,已经成为国奥队的中场核心。在刚刚结束的伦敦奥运会上,哈那德·玻尔率丹麦队 17:1 血洗法国队,斩获银牌创造「丹麦童话」,一夜之间成为家喻户晓的球星。

  而我,作为丹麦最强俱乐部——哥本哈根 AB 队的主力门将,居然从未入选国家队,这简直是一种耻辱。

  上次和德国米特韦达队踢友谊赛,对手竟敢趁我在门框上写数学公式的时候,用一脚远射偷袭,打断我的思路!最后一刻不还是被我的闪电扑救解围,要是后卫早点上去堵枪眼,那场球踢完就可以交作业了三亿体育。

  是成为世界最伟大的门将,还是成为世界最伟大的物理学家,这是一个问题,我需要纠结一下。

  第一章里我们讲到,100 多年前,为了搞清光子究竟是波还是粒子,科学家们被一个貌似简单的「双缝干涉」实验弄到集体「精分」。

  我们曾经天真地以为,无论用什么样的姿势看电视直播,都不可能影响球赛结果,可是在微观世界中,这个天经地义的常识好像并不成立,这就是那么多高智商理工男懵逼的原因。

  但是在玻尔看来,将宏观世界的经验常识套用到微观世界的科学研究上三亿体育,纯属自寻烦恼。

  通过常识,我们可以理解一个光滑小球的物理属性;但是凭什么断定,组成这个小球的万亿亿亿个原子,也一定有着和小球完全相同的属性?

  凭什么在微观世界中,原子、电子、光子,一定要遵循和宏观世界同样的物理法则?

  严格来说,量子理论是一群人,而不是一个人创立的。但是如果一定要选出一个「量子力学代言人」的话,我觉得非玻尔莫属,因为当别人纠结的时候,他第一个想通了。

  在量子世界,一切事物可以同时处于不同的状态(叠加态),各种可能性并存。比如,在双缝干涉实验中,一个光子可以同时处在左缝和右缝。这种人类无法想象的叠加态,才是最普通不过的本质形态;而在我们看来「正常」的非黑即白,才是一种特例。

  叠加态是不可能精确测量的。比如,精确测出了粒子的位置,但它的速度却永远测不准!这并不是因为仪器精度不够高,其实,仪器再好都没用。这个不可能是被宇宙规律所禁锢的「不可能」,而非「有可能但目前做不到」。

  虽然一切事物都是多种可能性的叠加,但是,我们永远看不到一个既左且右、又黑又白的量子物体。只要进行观测,必然看到一个确定无疑的结果。至于到底看到哪个态则是随机的,其概率高低取决于叠加态中哪个态的成分居多。

  没装摄像头:光子在未观测的情况下处于「多种可能性并存」的叠加态,以 50% 的概率同时通过了左缝和右缝,形成干涉条纹;

  装上摄像头:光子被观测后只能处于一个态,不能神奇地同时穿双缝了,所以干涉条纹就消失了。

  因为完美解释了双缝干涉等灵异现象,玻尔一(四)夜(面)成(树)名(敌)。

  比如,没有观测时,光子是混沌中的叠加态;观测的一瞬间,光子就变成了单一的确定态,请问两种态是怎样无缝切换的?

  按照玻尔的说法,观测的一瞬间,光子就随机蜕变成多种可能中的一种,还把这个过程取名叫「塌缩」。具体怎么个塌法,玻尔自己也说不清。

  再比如,既然触发「塌缩」的前提是「观测」,那么谁能够成为合格的观察者呢?

  10 年前,正是薛老师亲手写下了量子波动方程,与矩阵力学、路径积分一起,被后人并称为量子力学的三大基石。

  10 年后的 1935 年,对「哥本哈根解释」的群起而攻之,薛老师打响了第一枪。

  当时,几乎所有人觉得「叠加态」是个纯属幻想的玩意儿,却没人能真正驳倒玻尔和他的哥本哈根学派。

  因为,「态叠加」「测不准」「观察者」无论这三大原理违和感多么强,都被玻尔视作量子世界不可挑战的公理。所谓公理,就像「两点之间有且只有一条直线」,或者牛顿力学三定律一样,是无法、也无须证明的宇宙基本。

  在玻尔看来,物理学家的任务是透过现象找规律,而不是去质问上帝:你为什么要把宇宙设计成这样子?

  「薛定谔的猫」就是薛老师用来挑战玻尔的头脑实验(以下实验纯属想象、推理,没有任何无辜的猫因此而被害)。

  和猫同处一室的还有个自动化装置,内含一个放射性原子:如果原子核衰变,就会激发α射线-射线触发开关-开关启动锤子-锤子落下-打破毒药瓶,于是猫当场毙命。

  在这个邪恶的连环机关中,猫的死活直接取决于原子是否衰变;然而,具体什么时候衰变是无法精确预测的随机事件。

  1. 原子啊、衰变啊、射线啊,这些都属于你们整天研究的「微观世界」,自然得符合量子三大定律,没错吧?

  2. 按照玻尔你自己的说法,在没打开盒子观测之前,这个原子处于「衰变」+「没衰变」的叠加态,没错吧?

  3. 既然猫的死活取决于原子是否衰变,而原子又处于「衰/不衰」的叠加态,那是不是意味着,猫也处在「死/没死」的叠加态?

  所以,按照哥本哈根解释,箱中的猫是不死不活、又死又活的混沌之猫,直到开箱那一刻才瞬间「塌缩」成一只死猫或者活猫?

  薛老师的逻辑,其实就是反证法:以子之矛,攻子之盾。先假装你是完全正确的,然后顺着你的说法推理啊,直到推出一个荒谬透顶的结论——那只能说明你从一开始就错了!

  以前大家研究原子、光子,总觉得那是与日常完全不同的另一个世界;无论量子多么诡异,我们总可以安慰自己说:微观世界的规律,不一定适用于宏观物体。

  现在,薛老师把微观的粒子和宏观的猫绑在一起,要么你承认叠加态什么的都是不切实际的胡思乱想,要么你承认猫是不死不活的叠加态——别纠结,二选一。

  连三岁小孩都知道,如果打开箱子看到一只死猫,那说明猫早就死了,而不是开箱的瞬间才死的——只不过它被毒死的时候,你装作没听到惨叫声而已。

  你的理论告诉我们,猫在被观测前是不死不活的;那么,如果把你关进一个密室,你不也变成不死不活了吗?或者,在密室中的你看来,全世界的人都是不死不活的僵尸态?还是说,地球和太阳是否存在,都变成不确定的了?

  薛老师的猫,本意是想让玻尔下不了台,万万没想到,这只猫却引发了唯心、唯物主义的大辩论。

  假设世间一切都是幻觉,所谓人生,也许只是我们的大脑在黑客帝国的 AI 里做的一个梦,说不定身体正插满管子泡在培养皿中。

  那么问题来了:如果一切都可能是幻觉,那么,还有没有绝对不是幻觉的东西呢?

  其实,唯心主义并不是「我想要什么存在它就存在」,而是「只有我的意识(心)无可置疑,世界却可能是幻觉」。所以,如果你认真看那些唯心主义哲学大师的著作,会发现他们的逻辑严密得令人发指。

  而唯物主义者的观点则是「我在故我思」:世界肯定不是幻觉,不过每个人都把自己版本的幻觉当作客观世界的真相。但是,到底哪一个世界观才对呢?

  由于唯物主义者无法证明这个世界一定不可能是黑客帝国,而唯心主义者也拿不出这个世界一定就是黑客帝国的确凿证据,所以谁也无法说服对方。

  这么说来,主张「心外无物」的明代哲学家王阳明,早在 500 年前就发明了量子力学!

  「你未看此花时,此花与汝心同归于寂,你来看此花时,则此花颜色一时明白起来,便知此花不在你的心外。」

  未看此花时,花的存在是不确定的叠加态;起心动念的一刹,花才会从不确定态「塌缩」为确定态,你观察的世界因此呈现。

  意识与物质互为因果,无法割裂。量子力学的「观测导致塌缩」就是唯心主义的铁证!

  然而,很多人至今都不知道「意识决定观测结果」这个名声在外的量子黑科技,其实是道听途说导致的误会。

  回到双缝干涉实验,如果科学家故意不观测实验结果,而是用机器自动记录;去掉人类的「意识」干扰,是不是量子态就不会塌缩了?

  再比如三亿体育,做实验时突然飞过一只苍蝇,在它的 N 只复眼注视下,光子的叠加态会因此而塌缩吗?(你以为苍蝇就没有意识吗?)

  屏幕结果是代表波动的斑马线还是代表粒子的两道杠,只与实验设备的设置有关,和谁来观测、是否观测无关。

  只要实验中双缝全开,哪怕有一亿双眼睛盯着,看见的仍然是未塌缩的叠加态光子产生的干涉条纹。

  只要微观粒子处于「可能被精确测量」的环境下,它就会自动塌缩,并不需要等待「观察者」就位。

  只不过,我们无法精确测量,只能用概率分布来计算这个客观世界,那么,薛定谔的猫真的存在吗?

  一开始,包括薛老师和玻尔本人在内,没有人相信世界上真会有不死不活、既死又活的猫。

  可是不久之后,科学家们惊恐地发现,这件看似显然的事,居然没法证伪(证明猫不是叠加态)。

  1996 年,美国人梦露(男)用单个铍离子制成「薛定谔猫态」并拍下了快照,发现铍离子在第一个位置处于自旋向上的状态,而同时又在第二个位置自旋向下,而这两个状态相距 80 纳米之遥!

  2004 年,潘建伟团队首次实现了多光子的薛定谔猫态。虽然这只猫的身材依旧苗条——浑身上下只有 5 个光子,但还是令玻尔的追随者信心大增。

  这说明,从单个微观粒子到严格意义上的薛猫(宏观量子叠加态),也许只是量变而非质变,它被亲切地称为:薛定谔的小猫。

  然而,现实很残酷:目前「薛猫」的最高纪录,仍然是潘建伟 2012 年实现的 8 光子叠加态。要知道,为了增加区区 3 个光子,实验用了整整 8 年时间。可想而知,要让猫身上亿个原子同时处于量子叠加态,绝非易事。

  在乐观者看来,这不过是暂时的技术困难,假以时日迟早会攻克;但也有人认为,量子世界与宏观世界之间存在着一道天然的结界,像猫一样大的宏观叠加态,也许是这个宇宙明令禁止的。

  除了 N 多前女友和养猫以外,薛老师发现了量子的另一个诡异之处,而当时几乎没有人注意到这个问题。

  为了研究微观世界,看看原子核这个大西瓜肚子里都有些什么籽儿,科学家祭出了最强大的武器:粒子对撞机。

  因为能量守恒原理,子粒子能量相同,方向相反。比如说,因为母粒子静止不动,所以分裂后的子粒子 A 向左边飞,B 一定往右边飞,这样才能左右抵消。同理,A 的自旋(角动量)向上,B 的自旋一定向下。

  那么问题来了:根据量子理论,在不被观测的情况下,粒子处于多种可能性的叠加态。

  就像箱子里那只不死不活的薛定谔的猫一样:A 和 B 这对龙凤胎粒子,自打出娘胎起,他们的性别就没确定,直到有人来看了一眼,这才瞬间分出男女!

  然而和薛猫不同的是,箱子里的猫只有一只,孪生粒子却有两个。而且,这两个粒子即使相隔很远很远,叠加态也能保持不变。如同在千里之外,瞬间产生联系……

  大家都知道爱因斯坦创立了相对论。但很少有人知道,大神在 35 岁就已经功成名就(完成狭义+广义相对论),而在之后 40 年的悠长岁月里,他其实都在纠结一件事:量子力学。

  能让爱因斯坦这种大神级人物「不明白」的,不是深奥的理论和复杂的公式,而是宇宙的意义。

  爱因斯坦深信,宇宙在本质上是高度和谐的,这种和谐是可以通过数学之美体现出来的。

  在更高的层面上,和谐,比对错更重要。而量子力学,在爱因斯坦看来,就是一种不和谐(不完备)的理论。

  微观世界的一切只能用概率统计来表达,而具体到单个的粒子,它的状态是不确定的叠加态。把这个粒子放大 N 亿倍,就成了薛定谔的猫。

  爱因斯坦认为,根本不存在薛定谔思想实验中那只不死不活的叠加态的猫。猫的死活在观测之前就是定数,只不过愚蠢的人类看不见箱子里发生的一切,只能推测出「50% 活 or 50% 死」的概率。

  然而,那些发明量子力学的疯狂科学家们,他们竟然说:80:20 的比例,说明每位知友的性别是不确定的,见面时 80% 的可能性会变成男生,20% 的可能性变成女生!

  因为只有这样我才能解释,为什么线下活动时见面的都是男生,而索要福利的都是女生。至于女生为什么没来,可能是出于一些很简单的原因,比如当天身体不舒服。

  仅仅因为我们不知道背后的原因,就认为人的性别是可以按一定概率随机改变的,纯属不切实际的猜想。

Copyright © 2012-2024 PP电子 版权所有

冀ICP备20001610号-10