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怎么理解薛定谔的猫?
量子力学,量子,哥本哈根怎么理解薛定谔的猫?
发布时间:2019-02-08加入收藏来源:互联网点击:
回答于 2019-09-11 08:43:50
“薛定谔的猫”是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的理想实验的名字,它描述了量子力学的真相:粒子的某些特性无法确定,直到测量外力迫使它们选择。
整个实验是这样进行的:在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。在一小时内,大约有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,剩下50%的概率是放射性物质不会衰变而猫将活下来。
根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。但在量子力学的怪异世界里,猫到底是死是活都必须在盒子打开后,外部观测者“测量”具体情形才能知晓。当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的状态,猫既是死的也是活的。
这个略显残酷的思想实验,其实是薛定谔对量子力学中哥本哈根学派的反击。
双方的 battle 是这样的——薛定谔创建了波动方程,能够严谨而自恰地解释微观粒子系统,著名的薛定谔方程在量子物理中的地位,如同宏观物理中的经典力学牛顿三大定理一样重要。
薛定谔认为,波函数是空间分布函数,微观粒子就像波一样,在空间中按照波函数的规律排列。哥本哈根学派的代表人波恩却不这么看。他将波函数视为随机的概率,它代表的不是微观粒子的具体位置,而是在某个位置出现的概率,这些概率形成的概率波按照波函数发展。
薛定谔对“哥本哈根诠释”很不满,于是要用薛定谔的猫来证明这种诠释的荒谬性:你们不是说原子的衰变是随机的,原子处于既衰变又不衰变的状态吗?那就会有一只既活又死的猫咯?这怎么可能!猫的状态肯定是要么活,要么死,并且在我们打开盒子之前就被决定好了。
而对此,“哥本哈根诠释”如是说:“在被观测之前,量子的属性处于不确定状态,即所有属性的可能性的叠加态;而在对量子进行观测的瞬间,量子的叠加态塌缩为一种结果,即变为固定态。”
“哥本哈根诠释”如今已是量子物理学界的主流,也是大学教育中最常用的诠释。
回答于 2019-09-11 08:43:50
“薛定谔的猫”在1935年诞生,到今天已经85岁高龄了,但它依然精力旺盛的出现在我们面前,质问客观世界是否存在可以区分的量子态叠加问题。
我们依然不能给出一个完美的答案。
一个不合时宜的思想实验
量子力学,给人类科技带来了激光、半导体、核能等新技术,造福人类近一个世纪。薛定谔也因为创建量子力学时的巨大贡献,拿过诺贝尔奖;但是薛定谔本人和爱因斯坦一样,对量子力学,特别是以波尔为首的哥本哈根派的量子论解释,有诸多的质疑,于是才有这只诞生于1935年的猫,困扰科学家85年至今。
这是一个思想实验,薛定谔假定把一只猫放进一个密封的小盒子,里面装有放射性源,设其半衰期为一个小时,即一小时后有一半概率释放出一个粒子,根据量子力学叠加原理,一小时后空间将处于有一个粒子和没粒子的叠加态。
同时,盒子里面有一个机关,它可以检测到粒子,如果放射源释放出粒子,机关则会被打开,触发毒气释放,杀死盒子里面的猫。如果小盒子未放出粒子,那么这只猫仍然活着。
那么,一个小时后,按照量子态叠加原理推演下来,猫也应当处在一半概率是活,一半概率是死的叠加态上,这只半死半活的猫就“薛定谔猫”。
实验的本质
薛定谔当然不是虐猫狂人,他跟猫也没有什么过不去的地方,这个实验无论你放猫还是放狗,并不是重点;后来科学家维格纳甚至引入了他的朋友,加入到这个思想实验中,作为观察者一起住进了盒子里面,成为叠加生死的人。我们肯定维格纳性格古怪了点,但他绝对不是杀人犯。
薛定谔提出这个佯谬本意是想问,宏观世界是否存在与微观世界一样可区分的叠加态?现实世界从未出现过半死半活的猫,同学们眼中的猫要么死,要么活,哪里来的叠加态。所以,薛定谔的猫,同学们应该注意的是“死”或“活”,而不是那只可怜的猫。
宏观世界不存在叠加态,那么量子论的微观世界叠加态,怎么能够站得住脚呢?这才是薛定谔要表达的真正含义。
他只是在怼波尔为代表的哥本哈根派的量子论解释而已。
现实世界的薛定谔的猫
薛定谔和爱因斯坦并肩作战,和波尔、爱森堡、波恩他们曾经大战三轮,终究抵挡不住,败下阵来,量子论的洪流洗刷了经典物理世界,也为我们带来了崭新的科技,影响人类至今。
但是谈到宏观世界可区分的量子态——叠加态,我们到底做出了这只猫没有?
以郭光灿院士为代表的光量子一派,给出了肯定的答案。
宏观可区分的量子态,郭院士提出的方法是通过高能激光,理想的激光就是相干态,相干态是最接近于经典的量子态,而且当其平均光子数很大时,相干态的量子效应便可忽略不计,可被视为经典电磁波。
在现实世界中寻找“薛定谔猫”制备的方案,科学家采用相位差为π的两个相干态的叠加作为“猫”的代替者。实验证明,在原子尺度上可以制备出这类“猫”。其后又在宏观尺度上也制备成功。因此“薛定谔猫”并不如薛定谔所愿,可以撕碎波尔的理论,反而露出了自己的马脚,被证实在宏观世界里是存在的。
波尔又胜了这一回合。
结语
但是情况并不乐观,所有人为制备的量子系统都会饱受环境的消相干效应的破坏,如不采取有效的措施抵制这种消相干的影响,这些量子系统最后都会演化成经典系统。
人造的量子系统会死亡,而自然生成的量子系统却能永存。这就是自然界本来的状况。
人们迄今已成功建立经典理论和量子理论,能分别正确地描述经典世界和量子世界,但还无法完整地描述自然世界,原因在于我们还没有研究清楚量子世界与经典世界之间的界限、究竟是什么物理机制使得量子世界能自动地演化为经典世界。
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