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薛定谔和他的猫

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薛定谔和他的猫

雪花又一年 2018-05-03 15:44:00 浏览50 评论0

摘要: 即使不是物理专业的学生,大概也会听说过一些量子现象。例如测不准原理,薛定谔猫等,在日常生活中这类现象匪夷所思,却是千真万确存在于微观领域。笔者将结合老师课上所讲及相关知识,谈谈有趣的“薛定谔猫”现象。

即使不是物理专业的学生,大概也会听说过一些量子现象。例如测不准原理,薛定谔猫等,在日常生活中这类现象匪夷所思,却是千真万确存在于微观领域。笔者将结合老师课上所讲及相关知识,谈谈有趣的“薛定谔猫”现象。


关键词:量子物理,薛定谔


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……


记得去年暑假,我跟一位朋友在街上散步,感到口渴就在路边买了一罐饮料。我把饮料打开然后随手把易拉罐的拉环扔进一旁的垃圾桶。朋友问我:“你觉得我们有没有中奖呢?”我便打趣道:“不知道,要不我们去捡起来看看吧?”但朋友说了一句至今记忆犹新的话,他说:“如果我们不去捡起来看,那个拉环可能中奖了。如果我们去,可能就没有。”现在回想起这件事,倒是与薛定谔的猫有异曲同工之妙。


薛定谔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。下面先说说什么叫“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,总会处在某个固定的状态。


举个例子来说:老师收到了我的邮件,或者说老师没收到我的邮件。要么收到,要么没收到,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。微观粒子可以处于一种所谓“叠加态”的状态中。例如,电子可以同时位于不同的地点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,叫做叠加态。有人一定会说:“老师收没收到邮件,通过微信问问他就清楚了。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,我们给老师发信息询问,相当于我们对老师进行了测量,当我们对老师测量时,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于观察之前。老师是否收到邮件,发信息之前已是事实,并不因为我们是否向他询问而转移。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特点,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。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。正是在这样的背景下,薛定谔提出了“薛定谔猫”的理想实验。关于实验的描述,老师在课上已做讲述,这里不再细说。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;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,所以有物理学家调侃地说到:“薛定谔不懂薛定谔方程!” 


笔者在搜集资料时了解到:薛定谔还是一个风流才子,有好些红颜知己。纽约剧作家马修维尔斯在深入研究了薛定谔个人历史后写了一部舞台剧“薛定谔的女朋友”,这是关于爱和量子物理学的一部另类浪漫喜剧,剧中有这么一段饶有趣味的台词:“到底是波动-粒子的二象性难一点呢,还是老婆-情人的二象性更难?”据说薛定谔有很多情妇,身边不乏红颜知己。薛定谔的女友和薛定谔的猫一样不确定,薛定谔的婚姻爱情观和他的物理理论一样,不同凡响。又据说薛定谔是个“多情种子”类的人物,他的情妇虽然多,但他每爱一个女人时,都是“真心实意”的。也许我们可以用量子力学的语言来做个比喻:薛定谔的感情生活,总是处于一个包括很多本征态的复杂叠加态中。一定时期,叠加态“坍缩”到某个本征态,薛定谔便投入一个女友的怀抱。但是,在薛定谔众多女友中,有一位很不一般的神秘女人,正是她,成了这部舞台剧的女主人公。在1925年圣诞节前,薛定谔像往年一样,来到美丽的、白雪皑皑的阿尔卑斯山上度假,但这次陪伴他的不是太太安妮,而是一位来自维也纳的神秘女友。薛定谔的这位女友神秘莫测,直到八十多年后的今天,也无人考证出她的身份来历。她不是考证者已知的薛定谔情妇中的任何一位。无论如何,在这对情侣共度佳期的时期内,这位神秘女郎极大地激发了薛定谔的灵感,使得他令人惊异地始终维持著一种极富创造力和洞察力的状态。因此,物理学家们说,薛定谔的伟大工作是在他生命中一段精力极其旺盛的时期内做出的。薛定谔自己也不否认这点,他认为,通过观看这个引人注目的女人,他找到了困惑科学界波粒二象性看似矛盾的关键。果然,之后的一年内,薛定谔接连不断地发表了六篇关于量子力学的主要论文,可以毫不夸张地说:今天我们学习的初等量子力学,大也有一半的内容是薛定谔在这一年内完成的。因此,在享受量子力学带给我们辉煌灿烂的科技成果的今天,我们也应该感谢这位神秘女郎的贡献。综上所述,是“薛定谔的神秘女友”激发了薛定谔天才的想象力和灵感,使其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。


最后引用王阳明的一句话:“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。”我想,量子力学之所以引人入胜,大概也就是因为它的神秘而高深吧……


原文发布时间为:2017-01-17
本文作者:袁伟
本文来源:量子趣谈,如需转载请联系原作者。

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