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      教育培訓 > 薛定諤的貓有什么現(xiàn)實意義?

      薛定諤的貓有什么現(xiàn)實意義?

      2020-11-02 15:02閱讀(61)

      薛定諤的貓有什么現(xiàn)實意義?:相信很多人對薛定諤的貓的理論了解都是來自《生活大爆炸》這部美劇。在這部劇里,Penny就自己是否要和萊納德交往這個問題咨:-薛定諤

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      相信很多人對薛定諤的貓的理論了解都是來自《生活大爆炸》這部美劇。在這部劇里,Penny就自己是否要和萊納德交往這個問題咨詢了謝耳朵,謝耳朵在回答她的問題時引用了這個理論。但是penny顯然一臉困惑。

      這個理論是一個理想狀態(tài)下有關量子理論的實驗?茖W家薛定諤把一只貓放進一個不透明而且密閉的盒子里,盒子里有一個盛有毒氣的玻璃瓶和一個放射性原子核構成的理想裝置。一個小時之內(nèi),這個原子核有50%的可能會發(fā)生核衰變,一旦衰變,這個毒氣瓶就會被打開導致貓死亡。但是你如果不打開盒子,你就不知道貓是活著還是死了。所以在打開盒子之前,這個貓既有可能是死的也有可能是活得。

      我想謝耳朵引用這個理論,應該是想告訴penny,如果不去嘗試和萊納德在一起,就不會知道他們兩適不適合在一起。

      但是這個理論的真正意義是什么?要從薛定諤以及量子力學說起。

      薛定諤(E.Schrodinger ,1887—1961)是奧地利著名的物理學家,也是量子力學的創(chuàng)始人之一,曾獲1933年諾貝爾物理學獎,薛定諤的貓是他在1935年提出的關于量子力學的一個佯謬。這些年來許多物理學家絞盡腦汁,試圖解開這個佯謬。直到最近經(jīng)過一系列精巧的實驗,這個問題才逐漸有了眉目。2000年7月,《自然》報道了最新的實驗結果。

      量子力學是有關電子、原子等微觀粒子的理論,它所揭示的微觀規(guī)律與日常生活中看到的宏觀世界很不一樣。原子的大小是10的-15次方米,原子核的大小是10的負18次方米。我們平常所能看到的一切,哪怕是最。ㄗ疃蹋┑娜魏螙|西里面都有不是成千上萬。而是數(shù)以億億計的原子或分子.

      薛定諤的貓,則是描述量子力學“疊加態(tài)”的一個假設。

      疊加態(tài),指的是一顆粒子在同一時間可能處在兩種不同的狀態(tài)里。在宏觀世界里,這是不可能的。比如一個人不可能既在家中又在屋外。但是在量子世界里,一個電子,可能處于這個電子云的任何位置。就好比,一個人在家中何處是不確定的。你看他一眼,他可能在任何地方——客廳、廚房、餐廳、臥室或書房都有可能;在你看他之前,就無處不在。

      這個規(guī)律明顯是難理解的,有的科學家甚至拒絕承認某些規(guī)律的真實性,比如著名的科學家愛因斯坦。所以薛定諤的這個虛擬實驗,更像是一個“同時處于生和死兩種狀態(tài)的貓”的比喻,來解釋這種(兩種不同性質(zhì)同時存在的)疊加狀態(tài)。是一種現(xiàn)象的描述,而不是什么理論或者原理。

      這個理論聽起來有點像中國“方生方死”的詭辯論。但是這是宏觀上的表達。量子力學是關于微觀世界的物理,它的準則可能與我們所熟知的物理完全不同。

      需要注意的是,在這個實驗中,盒子關著的時候,我可以看作還沒有對它進行觀測。打開盒子的這個動作,從宏觀上說可能只是“看一眼”的動作,不會發(fā)生什么變化,在微觀里就是對它進行測量,相當于,從外界介入了它的狀態(tài),他的狀態(tài)被改變了。

      從這個理論可以看出:一切事物的狀態(tài)都不是確定的,除非進行觀測。也就是謝耳朵對penny說道這個理論的初衷。愛因斯坦認為,量子力學只不過是對原子及亞原子粒子行為的一個合理的描述,這是一種唯象理論,它本身不是終極真理。

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      從牛頓開始,通過觀察光的實驗,認為光的本性是粒子。而其他的科學家?????也進行了許多實驗,證明光具有波動性,認為光的本性是波。

      自此,圍繞著光的本性,科學家?????們開展了很長時間的波粒之爭。類似唯心與唯物的爭論,光的波粒之爭不僅沒有得出最終的結果;隨著人類的認識擴展至微觀領域,竟發(fā)現(xiàn)所有的微觀粒子都具有波動性。而且,這些微觀粒子的粒子性又是不容忽視的。你總不能說電子或質(zhì)子也是波吧?

      于是,對于波動性的解釋,包括光在內(nèi),都無法簡單地歸結為它們的本性是波。

      實際上,在現(xiàn)實的生活中,我們對波并不陌生。比如海浪??和刮風,它們的本質(zhì)都是分子層次上的不平衡所產(chǎn)生出來的群體運動效應。

      然而,微觀粒子是相對獨立的個體,其為什么也會具有波動性呢?對此,有兩種解釋。

      第一種解釋是將粒子的波動性歸結為其外部環(huán)境的影響,即存在著不連續(xù)的物理背景——量子空間。

      類似花粉在水中的無規(guī)運動,當微觀粒子的半徑遠小于空間不連續(xù)的尺度即小于空間量子之間的距離時,微觀粒子就會受到空間量子的不對稱碰撞??,從而具有了無規(guī)運動。

      第二種解釋是將粒子的波動性歸結為粒子的內(nèi)在屬性,波只是粒子存在狀態(tài)的概率集合,即概率波。

      于是,根據(jù)第二種解釋,自然界的存在狀態(tài)并非實體,而僅只是各種可能的集合,即世界是概率的。只有當我們觀察時,即與各種概率的可能相互作用時,這些可能才會瞬間塌陷為現(xiàn)實的實體,即將其中的某一種可能轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的存在。

      由于初次涉及微觀領域的認識,量子力學還不很成熟,其只是唯象地建立和描述了相關現(xiàn)象的外在聯(lián)系。因此,沒有引入外在物理空間的第二種解釋,成為了關于粒子波動性的正統(tǒng)觀點。

      波動量子力學的創(chuàng)始人薛定諤對第二種解釋并不認同,他認為物質(zhì)是以現(xiàn)實的實體形式存在的,與我們是否觀察無關。

      為了反駁以概率的狀態(tài)存在的解釋,薛定諤設計了一個思想實驗。他假定,在一個密閉的房間里,有一只貓??,旁邊放著一瓶毒藥,該瓶子與放射性原子相連。這就是著名的薛定諤貓。

      該原子衰變的概率是百分之五十。如果原子衰變了,其釋放出的電子會擊碎瓶子,貓就會被毒死;反之,如果原子沒有衰變,貓便會安然無恙。

      問題是,在我們沒有打開門??之前,屋內(nèi)的貓是何種狀態(tài)呢?

      薛定諤認為,在我們打開門之前,貓的生死就已經(jīng)決定了。而正統(tǒng)的量子力學解釋則認為,在開門之前,貓?zhí)幱诜撬婪腔畹母怕薁顟B(tài),即百分之五十是死與百分之五十是活的兩種概率的疊加態(tài)。

      推而廣之,量子力學的正統(tǒng)解釋由此得出了量子糾纏的概念,認為自然界是非定域性的,存在著超距現(xiàn)象。

      比如,一雙手套??被分別裝入兩個黑盒子中。量子力學的正統(tǒng)解釋認為,每個盒子中存在的并不是現(xiàn)實的手套,而是左右手套各占百分之五十概率的疊加態(tài)。

      即便是我們把兩個盒子分開很遠的距離,當我們打開其中一個盒子的瞬間,不僅我們看到的手套立刻由概率轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實,另一只遠在天邊的手套也會瞬間完成由概率到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)變。

      總之,原本薛定諤提出貓的思想實驗,是為了否定物體存在的狀態(tài)是概率的觀點。然而,由于思維的慣性,薛定諤的貓非但沒有駁倒概率的解釋,卻反而被極致地推論出量子糾纏的概念,得出了非定域的結論,從而使人類的認識陷入了更深的困境。

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      薛定諤提出的貓的理想實驗并不是要證明什么,而是表達對波恩統(tǒng)計解釋的不滿。

      微觀世界中物質(zhì)的運動并不能用牛頓力學去描述。德布羅意給出物質(zhì)波的概念后,德拜對薛定諤說“既然是波,怎能沒有波動方程?”沒想到薛定諤幾個月后真的給出了一個波動方程,這就是大名鼎鼎的薛定諤方程。這個方程能夠很好的描述微觀世界中粒子的運動,其在量子力學中的地位足以和牛頓第二定律在經(jīng)典力學中的地位相媲美。薛定諤也因這個方程拿到了諾貝爾物理學獎。

      薛定諤方程不是推導出來的,更像是拼湊出來的。盡管薛定諤方程非常優(yōu)美地解決了微觀粒子的運動,這方程的背后還有基本的問題困擾著物理學界。薛定諤給出了方程,但是他本人也不知道這個方程的意義是什么。后來波恩給出了統(tǒng)計解釋,認為波函數(shù)模的平方代表空間某個位置找到粒子的幾率。波恩的解釋和實驗非常吻合,波恩也因此拿到了諾貝爾物理學獎。

      不過也有一些物理學家對波恩的解釋不滿,愛因斯坦的那句“我不相信上帝在擲骰子”就是對幾率解釋的不滿。薛定諤本人也不滿波恩的解釋,為了反駁波恩,薛定諤設計了一個至今仍困擾物理學界的“薛定諤的貓”的理想實驗。

      實驗大體是這樣的,把一只貓裝進一個封閉不透光的箱子里,箱子里還有一個放射性原子,一個粒子探測裝置,一瓶劇毒物質(zhì),一把錘子。如果放射性物質(zhì)發(fā)生衰變,粒子探測器就能接收到衰變放射出的粒子,然后發(fā)出信號讓錘子打碎裝著劇毒物質(zhì)的瓶子,這樣貓就必死無疑。如果粒子不衰變,貓就會活著。也就是說貓的狀態(tài)由粒子是否衰變決定,貓存在兩種狀態(tài),活態(tài)和死態(tài)。按照量子力學的態(tài)疊加原理,物理學家在測量貓的狀態(tài)前,貓就處在活態(tài)和死態(tài)的疊加態(tài),只有打開箱子測量的時候,貓才會塌縮到本征態(tài),只能測量到活態(tài)和死態(tài)中的一種。這是和常理格格不入的,薛定諤就是用貓實驗將微觀和宏觀聯(lián)系在了一起,把量子行為拓展到了宏觀世界。

      隨著進一步的討論,有人還用多重宇宙解釋薛定諤的貓,也有人將薛定諤的貓比作陷入愛河時的躊躇不定。薛定諤的貓也因此收獲了更大的市場。不過,人們正不斷努力試圖做出宏觀下薛定諤貓的實驗,卻無法看到怎樣去檢測是否存在多重宇宙。量子力學的隨機不是決定論,也正因此,人活著才能享受拼搏、奮斗帶來的驚喜。

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      薛定諤貓是奧地利物理學者埃爾溫·薛定諤于1935年提出的一個思想實驗。通過這思想實驗,薛定諤指出了應用量子力學的哥本哈根詮釋于宏觀物體會產(chǎn)生的問題,以及這問題與物理常識之間的矛盾。

      薛定諤自己是這樣描述薛定諤的貓的實驗的:

      把一只貓關在一個封閉的鐵容器里面,并且裝置以下儀器(注意必須確保這儀器不被容器中的貓直接干擾):在一臺蓋革計數(shù)器內(nèi)置入極少量放射性物質(zhì),在一小時內(nèi),這個放射性物質(zhì)至少有一個原子衰變的概率為50%,它沒有任何原子衰變的概率也同樣為50%;假若衰變事件發(fā)生了,則蓋革計數(shù)管會放電,通過繼電器啟動一個榔頭,榔頭會打破裝有氰化氫的燒瓶。經(jīng)過一小時以后,假若沒有發(fā)生衰變事件,則貓仍舊存活;否則發(fā)生衰變,這套機構被觸發(fā),氰化氫揮發(fā),導致貓隨即死亡。用以描述整個事件的波函數(shù)竟然表達出了活貓與死貓各半糾合在一起的狀態(tài)。

      薛定諤的貓是一個非常著名的物理思想實驗。它的意義也是非常顯著的。要知道,在量子力學發(fā)展的歷史中,很多物理學家對量子力學的怪異感到難以接受和適應。微觀粒子的位置和動量不能同時精確測量,粒子可以同時處于不同的狀態(tài)。相距遙遠的兩個粒子之間的量子糾纏可以瞬間傳播。面對這些大量違背直覺的結論,當時的物理學家普遍采取一種“實用主義”的態(tài)度。即一切以符合實驗數(shù)據(jù)為主,將量子現(xiàn)象看著只有在微觀世界才會出現(xiàn)的既有結論強行接受,回避甚至拒絕思考量子物理背后的物質(zhì)實質(zhì)和理論的基礎。

      薛定諤的貓出現(xiàn)之后,量子力學中怪異的疊加狀態(tài)居然一下從微觀世界跑到了宏觀世界,讓貓?zhí)幱谏退赖寞B加態(tài)!這個思想實驗的意義也正在此處:它將物理學家們狼狽地逼入死角,逼著他們?nèi)ニ伎己屯晟屏孔永碚撍嬖诘膯栴}。

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      薛定諤的貓

      20世紀初,物理學上空有兩朵烏云,一朵是“以太”,另一朵是“黑體輻射”。前者引出了相對論,后者則催生了量子力學。而在量子力學這支,幾乎是經(jīng)歷了三代科學家的共同努力才得以建立。第一代是普朗克、愛因斯坦;第二代是波爾、波恩、索末菲。第三代則是海森堡、薛定諤、狄拉克。

      他們可以一同被認為是量子力學的奠基人。不過在量子力學的發(fā)展中,出現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象,那就是曾經(jīng)的奠基人站到了量子力學的對立面,這其中最有名的就是愛因斯坦和薛定諤。

      薛定諤是波動力學的創(chuàng)始人,但是波恩對于薛定諤的波動方程的幾率解釋特別不滿意,更不滿意的是以尼爾斯·波爾為首的哥本哈根學派對量子力學的解釋。哥本哈根學派認為:

      世界是不確定的。

      具體來說,我們舉個栗子,微觀世界中,一個粒子在某一個時間的具體位置是完全不能確定的,根據(jù)測不準原理,在觀測這個粒子的位置之前,粒子可以同時在任何位置,說白了就是具體在哪里是一個概率分布。

      為了駁斥根本哈根學派的觀點,尤其是是“不確定性”的詮釋。

      薛定諤就設計了一個思想實驗,所謂的思想實驗就是只能靠腦袋想想,實際上沒辦法做的那種。從牛頓開始就有,比如:牛頓大炮。愛因斯坦也是極其喜歡思想實驗,他還提出過許多思想實驗來反駁量子力學,甚至還說出過著名的那一句話:

      薛定諤的這個思想實驗也是物理學歷史上最有名的思想實驗之一。在這個實驗里,有一只貓被關在一個盒子里,這是一個理想的盒子,貓可以好好在里面生活。

      在這個盒子里還有一個裝置,這個裝置放了一個隨時可能會衰變的原子核。原子核衰變與否其實可以用波函數(shù)來描述具體的概率。比如:某一個時刻,衰變的概率是50%,不衰變的是50%,到下一個時刻,可能就是衰變概率是40%,不衰變概率是60%,這里就會出現(xiàn)一個奇葩的事情,那就是衰變與不衰變一直處于疊加態(tài)當中。著名的物理學家伽莫夫曾經(jīng)說過:

      原子核的衰變過程可以用量子力學來描述。

      說到就是這個道理。除了這個會可能會衰變的原子核,還會有一個蓋革米勒計數(shù)器

      它可以捕捉到衰變后的產(chǎn)物,一旦接觸到產(chǎn)物,蓋革米勒計數(shù)器就會發(fā)出響聲,并且引發(fā)連接著毒氣瓶爆發(fā),一旦發(fā)生爆炸,毒氣就會殺死這只貓。

      反駁“不確定性”的詮釋

      所以,通過這個的方式,薛定諤就自認為把原子的衰變和不衰變的波函數(shù)和貓的死活構建起了聯(lián)系。也就是說,他把一個微觀世界的問題,轉(zhuǎn)移到了宏觀世界。這只貓就應該處于一種可能死或者可能活的疊加態(tài)。

      所以,問題也就出現(xiàn)了,這種貓到底是死是活?

      薛定諤的這個思想實驗是想最終引導謬誤上,意思是說,

      咋可能存在一種可能死或者可能活的貓?貓要么就是死,要么就是活。所以,這就矛盾了,所以量子力學的不確定性的詮釋也就是錯的。

      所以,他認為自己的這個思想實驗非常有力地反駁了哥本哈根學派的觀點。

      這個思想實驗被提出來之后就引發(fā)了爭論。但一直沒有人真的去這樣的實驗。后來,有個物理學家維格納,他又設計了一個以“人為道具”的實驗,也被叫做:維格納的朋友。說白了,就是把貓換成了人。

      那么因為這個人是有意識的,因此,他可以自己觀測它自己是死是活。不過呢,我們也知道,任何人都不可能感覺到可能活可能死的狀態(tài)。(你也可以是說既是死的又是活的)不過,這個實驗同樣沒人會去做。

      那“薛定諤的貓”和“維格納的朋友”到底算不算反駁了哥本哈根的解釋呢?

      薛定諤的貓的“缺陷”

      實際上,這個有個致命的問題,那就是貓和人根本不處于疊加態(tài)當中。畢竟,貓和人周圍都有空氣,他們和周圍的環(huán)境是有接觸的,所以貓和人的狀態(tài)就應該是確定的,除非我們有辦法完全把貓和人完全和周圍的環(huán)境隔離開來,但是如果是這樣的話,這貓和人也肯定就是死了。所以,“薛定諤的貓”和“維格納的朋友”這種試圖把微觀世界的不確定轉(zhuǎn)移到宏觀上的思路其實是行不通的。

      最后,我們來總結一下,薛定諤的貓實際上是一個思想實驗,試圖通過微觀世界的“不確定性”放大到宏觀世界,并試圖引發(fā)宏觀的“確定性”和微觀“不確性”之間的矛盾。而我們現(xiàn)在也知道,經(jīng)過科學家們堅持不懈的努力,目前的實驗更加支持哥本哈根學派的“不確定性”的詮釋。

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      薛定諤的貓一定的科學界最有名的科普故事。這只貓可以說是讓“量子力學”名聲大噪、家喻戶曉的第一功臣。

      薛定諤的貓是什么?

      “薛定諤的貓”是由奧地利著名物理學家薛定諤提出的一個著名思想實驗,描述了如何將一只活潑可愛的貓變成“生死疊加”狀態(tài)。

      下面是具體的操作步驟:

      將一只可愛貓咪裝進一個有量子系統(tǒng)機關的毒氣瓶的盒子里,然后密封至不可見。毒氣瓶的開關由一個24小時半衰期的放射性原子控制。

      在這24小時內(nèi),如果原子衰變了,放出α粒子就會觸動開關,毒氣瓶將被一個鐵錘砸碎,那貓就必死無疑;但如果原子沒有衰變,毒氣瓶完好如初,貓也就不會死去。

      由于原子具體何時衰變我們無法確定,那這段時間內(nèi)盒子里的貓有可能還活著,也可能已經(jīng)死了,但只有我們打開盒子才能確定貓的生死。

      這就好比量子力學對“量子”不可測的描述,當我們沒有觀察時,量子可以處于一種矛盾的“疊加態(tài)”,而當我進行觀察時量子從“疊加態(tài)”坍縮為唯一確定的經(jīng)典態(tài)。

      這種情況下,以哥本哈根學派的解釋,可以認為盒子里這只貓正處在一種“生死疊加”狀態(tài),也就是即生即死的狀態(tài)。

      為什么要做這個實驗?

      1926年,薛定諤憑借其深厚的微積分功底,推導出了“薛定諤方程”,并成功運用它解釋了氫原子結構,但作為數(shù)學大牛的薛定諤卻無法解釋薛定諤方程中波函數(shù)的物理意義。

      我們知道,數(shù)學公式與物理公式最核心的區(qū)別就在于是否具有物理意義,如果沒有具體的物理意義就稱不上一個完整的理論。而后來德國物理學家馬克思·玻恩給薛定諤方程做出了一個讓人能夠理解的詮釋:

      波函數(shù)描述的是一種概率波,只能計算在某個位置找到某個粒子的概率,觀察測量只能預測某一結果的概率,卻不能預測一定會得到什么結果。

      玻恩的詮釋是一種概率詮釋,憑借這個詮釋,玻恩獲得了1954年諾貝爾物理學獎。

      本來薛定諤應該感謝玻恩,奈何薛定諤是支持愛因斯坦的“決定論派”,而玻恩的概率詮釋屬于“概率論派”并成為了著名的“哥本哈根解釋”,這讓薛定諤很憤懣。

      雖然愛因斯坦與薛定諤都曾對量子力學起到了極大的推動作用,但對于玻爾主導的“哥本哈根解釋”一直持否定態(tài)度。但三次論戰(zhàn),愛因斯坦都敗下陣來,無形中反而成就了量子力學的“哥本哈根解釋”。

      在1955年愛因斯坦去世之后,作為愛因斯坦的嫡系大將的薛定諤憋了一個大招,就是“薛定諤貓”的思想實驗,繼續(xù)向玻爾一派宣戰(zhàn)。

      薛定諤的本意是借這個思想實驗,將量子態(tài)的不確定概念引入到宏觀世界,讓人們直觀體驗一下“概率”描述的不靠譜。

      其實這個思想實驗并不能證明什么?僅僅是再次發(fā)泄了薛定諤對于量子力學“哥本哈根解釋”的不滿,但他自己也知道提不出什么更好的解釋。

      圍繞愛因斯坦與玻爾的量子論戰(zhàn),出現(xiàn)的一系列思想實驗,無非是科學家們哲學立場的針鋒相對,世界到底應該由什么來支配?是決定論,還是概率論?

      這個哲學思考,至今也沒有一個明確的答案。

      簡單了解下“哥本哈根解釋”,為什么讓愛因斯坦、薛定諤等人難以接受

      1、玻恩的波函數(shù)概率解釋:這個上面已簡單說了。

      2、海森堡的不確定原理:有一些成對物理量,它們不可能同時被精準測定,一個越確定另一個必定越不確定,此消彼長。

      3、玻爾的互補原理:一些物理對象存在看似矛盾的多重屬性,原則上不可能用同一種方法同時看見其多種屬性,只能用不同是方法觀察到它們不同的屬性。

      4、玻爾的對應原理:量子的各種規(guī)則雖然適用于微觀尺度,但從規(guī)則中得出的結論不能違反宏觀上的觀察結果,而且宏觀尺度上還是遵循經(jīng)典物理學規(guī)則。也就是說,在大量子數(shù)極限的情況下,量子體系的運動趨向經(jīng)典力學體系,量子物理定律和方程可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)典物理定律及方程。

      5、疊加態(tài)原理:如果A和B是一個粒子的兩種狀態(tài),那么A+B也是這個粒子的第三種狀態(tài),并同時具有A\B的特征。

      6、波函數(shù)坍縮:在一次測量與下一次測量之間,除了概率波函數(shù)以外,微觀物體不存在,它只有各種可能的狀態(tài),只有進行了觀察或測量,“可能”狀態(tài)才坍縮為實際的“確定”狀態(tài)。

      看了是不是覺得頭大,為了描述一個量子,竟然總結了這么多原理。對于物理學追求的簡潔、統(tǒng)一來說,這無疑太多了。就像一個人說話,說了一大堆卻無法總結出一個中心思想一樣。

      但這些結論卻與實驗觀察結果完美匹配,又缺一不可。然而在愛因斯坦、薛定諤等人心中量子力學的“哥本哈根解釋”是不完備的,絕不是量子力學的本質(zhì),但作為量子力學的正統(tǒng)解釋,也沒有人能給出比“哥本哈根學派”解釋的更好。

      “薛定諤的貓”催生“薛定諤貓態(tài)”科學實驗。

      “薛定諤的貓”實質(zhì)可以看成是一個科學家的賭氣或玩笑,但它卻開啟了科學家們把微觀世界的量子特性引入宏觀世界來的實驗探索。

      2005年美國科學家就曾宣布成功讓6個鈹離子實現(xiàn)了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態(tài),戲稱“薛定諤貓態(tài)”。

      自此這樣的實驗在世界各地大量的進行著,不過目前結果是所有的實驗都無法持續(xù),也就是無法讓量子疊加態(tài)持續(xù)出現(xiàn)在宏觀世界里。

      但如果哪天真能做到,薛定諤的玩笑可就開大了,說不定我們還真能“生死疊加,不死不滅”呢?呵呵!

      7

      答:“薛定諤的貓”的試驗,說明了量子力學很有可能是不完備的。

      詳解:首先這是個思想實驗,而且科學界至今沒有讓人信服的解釋,我回答“不完備”也是基于愛因斯坦的立場,如果直接給肯定回答是沒有意義的,不過我們可以看看幾個詮釋,然后自己判斷哪個解釋更合理。

      我們先來看看這個思想實驗的歷史吧。

      “薛定諤的貓”是由奧地利物理學家薛定諤,于1935年提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗,薛定諤是愛因斯坦的追隨者,為了指出量子力學的不完備性,它精心設計了這個思想實驗,該實驗直指量子力學不確定性原理到宏觀過渡的邊界問題。值得一提的是,雖然薛定諤極力反對哥本哈根詮釋,但是他提出的薛定諤方程,卻成了哥本哈根詮釋的基本方程之一,看來科學家對科學的貢獻,從來就不以科學家的站隊來區(qū)分,就如愛因斯坦對量子力學的貢獻一樣,科學總是在泥濘的道路上,磕磕碰碰地行徑,而科學家們,正是鋪平道路的先驅(qū)者,雖然偶爾會走錯路,但是每個時代,總會出現(xiàn)超越他那個時代的天才,把科學帶回正確的道路上。

      實驗是這樣的:在一個盒子里有一只貓,以及少量放射性物質(zhì)。之后,有50%的概率放射性物質(zhì)將會衰變,并釋放出毒氣殺死這只貓;同時有50%的概率,放射性物質(zhì)不會衰變,而貓將活下來。

      根據(jù)經(jīng)典物理學,在盒子里面,必將發(fā)生“貓活下來”和“貓被毒死”兩個結果之一,而外部觀測者,只有打開盒子才能知道里面的結果。但是在量子的世界里,當盒子處于關閉狀態(tài),整個系統(tǒng)則一直保持不確定性的疊加態(tài),即貓活和貓死的疊加,一旦我們打開盒子觀察,波函數(shù)坍塌,疊加態(tài)的貓又回到經(jīng)典物理學,這是哥本哈根詮釋的必然結果。

      該實驗一提出來,愛因斯坦興奮不已,心想終于攻擊到量子力學的軟肋了,并洋洋得意地,對波爾拋去一句極具諷刺的話“難道我們不看月亮時,月亮就不存在”!

      此時,波爾對愛因斯坦的的反駁已經(jīng)習以為常了,剛開始并未覺得這個實驗有什么特別之處,或許又是愛因斯坦搞得什么鬼名堂。不過當他仔細研究該問題時,就發(fā)現(xiàn)問題大了。該思想試驗,成功地把微觀的不確定性帶到宏觀世界,我們看一眼就足以決定貓的生死(注意不是發(fā)現(xiàn),而是決定),在打開盒子前,波函數(shù)彌漫在整個封閉系統(tǒng)中,其中的貓也不例外,世界萬物都有量子組成,每個量子都存在不確定性,那么組成宏觀物質(zhì)的實體,也是眾多不確定性的疊加,包括整個月球,當我們用波動力學去描述月球時,月球似乎也被概率包圍,雖然概率很小很小,但是波函數(shù)下的月球,確實有消失的可能性(概率小到從宇宙誕生到結束,再進行幾個輪回都不太可能發(fā)生),但是數(shù)學中不能忽視這個概率,這也正是愛因斯坦的月球比喻,正中量子力學要害的原因。

      哥本哈根詮釋對于這個思想實驗的解釋,似乎也不想觸及“客觀規(guī)律不隨人的意志為轉(zhuǎn)移”,只是委婉地解釋到:在打開盒子的瞬間,彌漫在盒子中的波函數(shù)坍塌,波動力學方程可以精確預言所有可能性。

      該實驗只是思想實驗,無法具體實施,所以一直處于爭論,好消息是近年,有科學家在實驗室,做出了相類似的實驗,當然不是用“貓”做實驗,而是科學家發(fā)現(xiàn)了某些粒子存在疊加態(tài),既相當于這個實驗中的“半死半活的貓”。

      為了解釋這個不可思議的思想實驗,科學家提出各式各樣解釋,比如平行宇宙詮釋,導航波詮釋等等,其中“平行宇宙理論”被大量影視作品引用而被大眾熟知。

      它描述到,我們的每次選擇,宇宙就分裂成兩個宇宙,一個宇宙的貓活了下來,一個宇宙的貓死了,至于我們看到的是哪種情況,完全取決于我們存在于哪個宇宙。

      該解釋的優(yōu)點是:波函數(shù)從未坍塌,薛定諤方程始終成立。但是我們的每次選擇,宇宙就進行一次分裂,牽一發(fā)而動全身,有點難以接受,但是比起波函數(shù)坍塌,貝爾不等式實驗,哪個沒有讓人不安呢!至于誰對誰錯,至今沒有定論。

      存在或者不存在,這是關鍵所在!或許莎士比亞早已參透這一切。


      聲明:答案截取于本人2017年10月14日發(fā)布的文章《違反常識的五個量子力學實驗(下)》的部分內(nèi)容,由于很適合回答這個問題,所以我稍作修正,用來作為這個問題的答案,大家可以參看以上說法,得出自己信服的解釋。

      好。∵@個回答就到這里,喜歡我們的讀者朋友,可以點擊關注我們!謝謝

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      薛定諤的貓是個比喻,為了解釋量子力學的疊加態(tài)。

      量子力學是描述微觀世界的規(guī)律。微觀世界之小,小得出人意料。原子的大小是10的-15次方米,原子核的大小是10的負18次方米。我們平常所能看到的一切,哪怕是最小(最短)的任何東西里面都有不是成千上萬。而是數(shù)以億億計的原子或分子。

      疊加態(tài)的意思是,一個粒子在同一時間可能處于兩種不同的狀態(tài)。在我們的宏觀世界也是顯然是不可能的。比如一個彈珠顯然要么在坑里,要么在坑外。要么在這里,要么在那里。不可能同時既在這里,又在那里。但是在量子世界里,一個電子,在原子核周圍的位置,卻是云狀分布的,他可能處于這個電子云的任何位置。

      當然,當你去觀測這個電子的時候,一次觀測結果顯然只能有一個。這也并不意味著之前它只處于這一個位置。因為在觀測這時候我們必須用一個探針,比如一個光子去打他。這個光子也是攜帶一定能量的,因此,在觀測的同時,我們實際上已經(jīng)改變了他的性質(zhì)。

      這個規(guī)律顯然是很難理解的。所以當科學家們剛發(fā)現(xiàn)量子世界的時候,對它的規(guī)律同樣是大惑不解的,有的科學家甚至拒絕承認某些規(guī)律的真實性,比如著名的科學家普朗克和愛因斯坦。所以薛定諤發(fā)明了“同時處于生和死兩種狀態(tài)的貓”這個比喻,來解釋這種(兩種不同性質(zhì)同時存在的)疊加狀態(tài)。嗯,盒子關閉的時候,相當于我們還沒有對它進行觀測,處于未被打擾的狀態(tài)。這是他既是活著的又是死的(注意并不是可能活著或者可能死了)。我們打開盒子的這個動作,也就是對它進行測量,相當于,從外界介入了他的狀態(tài),他的狀態(tài)被改變了,從而坍縮到一種狀態(tài),或者是活著的,或者是死的。

      科學對我們這個世界的影響很大,但是我覺得跟人生的態(tài)度并沒有那么直接的關系?茖W技術的產(chǎn)品,每個人都用到,但依然有很多人拒絕承認科學規(guī)律的真實性,也有很多人拒絕承認科學對世界觀宇宙觀人生觀的價值。尤其是科學的規(guī)律,只是默默的存在,并且運行著,它并不直接打擾我們個人對于人生意義的看法?茖W家們也并不代表他們都只有一種看法,或者同一種生活方式。這個世界是豐富多彩的,對于世界和人生的看法是多種多樣的,多了解一點科學,有助于我們深刻的去認識這個世界的本質(zhì),對于人生肯定有幫助。但是這個世界是非常復雜,而且組成多樣的,學習科學也并不是唯一的方式,研究科學也不是唯一的生活內(nèi)容。人生意義究竟是什么樣的?主要還是,每個人有自己的看法,科學對此并沒有作出任何規(guī)定。

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      舉個現(xiàn)實中宏觀的例子,你就能知道“薛定諤的貓”有多么讓人匪夷所思了!

      你呆在家里的客廳里,同時你的臥室里有一臺電腦,你知道那臺電腦肯定在那里,因為你之前一直在用它!

      但按照量子理論的解釋,你的電腦可能性比那里,也可能不在那里(比如在月球上),幾率各有一半。你可能會提出質(zhì)疑:明明就在那里,怎么可能不再那里呢?

      量子力學的回答是:你不看(并非一定用眼睛看,包括監(jiān)測,觀測等手段)怎么知道桌子在那里?

      而當你真的看看電腦確認真的在那里的時候,電腦就從“在和不在”的疊加態(tài)坍縮“本證態(tài)”,也就是坍縮為“在”的狀態(tài)!

      當然,以上只是宏觀世界一個形象的例子,更好地讓我們理解量子理論的神秘!

      薛定諤的貓講的就是類似的思想實驗,在這個實驗里貓的存在狀態(tài)既是死的也是活的,但并非是死的或者活的,而是“死和活”的疊加態(tài)。但你觀看貓到底是死是活時,你的觀察行為讓結果坍縮為是死的或者活的!

      這說明了量子世界的詭異現(xiàn)象,不確定性和疊加態(tài),微觀世界里粒子可以同時出現(xiàn)在兩個地方。這種詭異的現(xiàn)象當然只出現(xiàn)在微觀世界,所以這并不意味著我們的人生毫無意義!

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      薛定諤的貓是一個思想實驗(到底有沒有科學家做過,這個就不知道了),其實這個就是薛定諤把微觀世界的疊加態(tài)原理,在宏觀世界做了個比喻。對于貓的既死又活,那時不可能在現(xiàn)實生活中發(fā)生的,就好比愛因斯坦的一句名言:難道我非要轉(zhuǎn)頭看一眼,才能斷定月亮是在天上嗎?

      簡單說下實驗的過程,就是在貓,放射性物質(zhì),觸發(fā)裝置,毒氣瓶放到一個不透明的箱子里,事先我們能斷定的是:放射性物質(zhì)會有百分之五十的概率發(fā)生衰變,一旦衰變了,就會啟動觸發(fā)裝置去把毒氣瓶打破,那樣貓就死了;反之貓就是活的。其實用經(jīng)典物理學去判斷,就是一個再也不能簡單的概率問題了,就算我們不去觀察,那么盒子里面也是該干嘛干嘛,絲毫不受影響。但是這個放到微觀世界就不是那么簡單了,無論如何都必須要我們?nèi)タ匆谎郏拍芘袛啵驗樵诖酥埃埦褪峭瑫r處于兩種狀態(tài),既死又活。這就是疊加態(tài)原理。

      還有就是測不準原理,無法同時判斷一個粒子的動量和位置。因為判斷需要觀測,觀測就要通過光,而光就會影響粒子的狀態(tài)。。。這邏輯無解了。。額

      人活著的意義,就是為了活著,這是最基本的,有余力的話,就去做自己喜歡的事嘍,人生就是這樣

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