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薛定谔猫的生死之谜

薛定谔猫的生死之谜

薛定谔的猫

    在一个小盒子中装有放射源,其半衰期为一个小时,即一个小时后有一半概率放射出一个粒子。如果盒子里有粒子,机关会被打开,铁锤就会掉落下去,打破装有毒气的瓶子,此时毒气会将密封于笼子里的猫毒死;如果小盒子里没有粒子,那么这只猫仍然活着。经过一个小时后,这只猫究竟是活的还是死的呢?这只未知生死的猫就是历史上著名的“薛定谔的猫”。

实验的由来

 

    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、或者被外部世界测量时, 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”, 设计了这个“薛定谔的猫”实验。

    猫的生死将取决于放射性粒子的状态, 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。

叠加态

    那么, 首先我们需要了解, 什么是叠加态?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。比如要测量一个粒子的位置和速度,其办法是将光照到这粒子上,一部分光波被此粒子散射开,由此指明它的位置。人们不可能将粒子的位置确定到到光的两个波峰之间距离更小的程度,故必须用短波长的光来测量,至少要用一个光量子。这量子会扰动这粒子,并改变粒子的速度,而且位置测量得越准确所需的波长就越短,单独量子的能量就越大,粒子的速度就被扰动得越厉害。你对粒子的位置测量得越准确,对速度的测量就越不准确。因此,我们无法知道粒子的运动轨迹和方向,只能用概率来描述粒子在某个位置出现的几率,粒子同时处在不同位置的组合状态,叫做叠加态。

    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”到死或者活的定态。 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。但根据常理, 猫的生死是打开盒子前的“客观存在”。而根据量子测量假说, 处在叠加态的猫, 它的死活决定于打开盒子后的“观察”。因而这个解释称之为“薛定谔猫佯谬”。

寻找薛定谔的猫-多世界诠释

    薛定谔的猫总是像恶梦一样让物理学家们不得安宁。直到1957年,休·埃弗莱特提出的"多世界诠释"似乎发现了这只猫的秘密。埃弗莱特认为实际存在两只猫,一只活猫,一只死猫,它们位于不同的世界中。问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变,而在于它既衰变又不衰变。当我们向盒子里看时,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。

     下面,我们思考一个问题:

    想象有个人用一把量子枪对着脑袋,枪的扳机处于量子叠加状态,触发扳机的条件为原子衰变。只有当枪上捆绑的机器测量到某个亚原子的量子自旋是向上才触发扳机;如果探测到自旋向下,则枪只发出声响,并不开火。那么,这个人究竟能不能自杀成功?

    在每次扳机响动之前,这个人有50%的概率存活下来(取决于自旋向上或向下),也就是说在他死前,他能够无数次触发扳机。这个一半生一半死的概率可以用多世界理论来解释——每次决定是否触发扳机让现实分裂成两个宇宙,在其中一个宇宙中,这个人不幸被枪杀死;而在另一个宇宙,这个人面前的量子枪没有开火,这好像在说无论结果怎样,最终都有一个人活下来。

    那么,问题来了,薛定谔的猫和量子自杀实验都是基于多世界理论的实验,但事实上,量子自杀实验又和多世界理论矛盾。批评量子自杀实验的人认为这个自杀的人的无限多个分身都可以得到相同结果,只不过分裂次数减少50%。量子自杀这个反驳型实验的失败之处在于无法在现实中解释多宇宙理论,随着实验次数无限增加,活下来的科学家数量不断以50%的速度减少,最后无限趋于零。可能在某个宇宙最后活下来的物理学家确信了多宇宙的正确性,但是在其他宇宙看来,他不过是被枪打死的书呆子。

    自然科学总是自诩为最客观、最不能容忍主观意识的,而量子力学的基础却是从不确定的状态变成确定的状态,一定要有意识的参与。意识和物质世界不可分开,意识促成了物质世界从不确定到确定的转移。尽管对量子现象的解释说法不一,但量子力学的结论却早已在诸多方面被实验证实。 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。

 

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