薛定谔貓

薛定谔貓

量子力學思維實驗
“薛定谔的貓”是由奧地利物理學家薛定谔于1935年提出的有關貓既是死的又是活的著名思想實驗的名字,它描述了量子力學的真相:粒子的某些特性無法确定,直到測量外力迫使它們選擇。整個實驗是這樣進行的:在一個盒子裡有一隻貓,以及少量放射性物質。在一小時内,大約有50%的概率放射性物質将會衰變并釋放出毒氣殺死這隻貓,剩下50%的概率是放射性物質不會衰變而貓将活下來。薛定谔的貓本身是一個假設的概念,人們發現薛定谔貓态(量子疊加态)本身就在生命過程中存在着,且是生物生存不可缺少的.
    中文名:薛定谔的貓 外文名:Schrödinger’s Cat 别名:薛定谔之貓 提出者:薛定谔 提出時間:1935年 應用學科:量子物理學

觀點提出

薛定谔在1935年發表了一篇論文,題為《量子力學的現狀》,在論文的第5節,薛定谔描述了那個常被視為惡夢的貓實驗:哥本哈根派說,沒有測量之前,一個粒子的狀态模糊不清,處于各種可能性的混合疊加。比如一個放射性原子,它何時衰變是完全概率性的。隻要沒有觀察,它便處于衰變/不衰變的疊加狀态中,隻有确實地測量了,它才随機選擇一種狀态而出現。那麼讓我們把這個原子放在一個不透明的箱子中讓它保持這種疊加狀态。

現在薛定谔想象了一種結構巧妙的精密裝置,每當原子衰變而放出一個中子,它就激發一連串連鎖反應,最終結果是打破箱子裡的一個毒氣瓶,而同時在箱子裡的還有一隻可憐的貓。事情很明顯:如果原子衰變了,那麼毒氣瓶就被打破,貓就被毒死。要是原子沒有衰變,那麼貓就好好地活着。

自然的推論

當它們都被鎖在箱子裡時,因為我們沒有觀察,所以那個原子處在衰變/不衰變的疊加狀态。因為原子的狀态不确定,所以貓的狀态也不确定,隻有當我們打開箱子察看,事情才最終定論:要麼貓四腳朝天躺在箱子裡死掉了,要麼它活蹦亂跳地“喵嗚”直叫。問題是,當沒有打開箱子之前,這隻貓處在什麼狀态,似乎唯一的可能就是,它和我們的原子一樣處在疊加态,這隻貓當時陷于一種死/活的混合。

一隻貓同時又是死的又是活的,它處在不死不活的疊加态。這都和常識太過沖突,同時在生物學角度來講也是奇談怪論。如果打開箱子出來一隻活貓,那麼要是它能說話,它會不會描述那種死/活疊加的奇異感受。恐怕不太可能。換言之,薛定谔貓概念的提出是為了解決愛因斯坦的相對論所帶來的祖母悖論,即平行宇宙之說。

實驗漏洞

根據量子理論,原子核處于衰變和不衰變的疊加狀态,隻要我們不“測量”它,它就保持這種狀态,因此貓就不會死。一旦我們“測量”它,它即随機選擇衰變或不衰變的瞬時狀态,那麼:

推論一:根據概率,打開密室觀察兩次就可能有一次是衰變的。這樣貓就死了。

推論二:如果不打開密室,貓就一直處于未知(不死不活)的狀态。

朱生雲認為,“薛定谔貓”混淆了一個關鍵概念“觀察”和“測量”。“打開密室觀察貓的狀态”和實驗物理中的“測量粒子狀态”,簡直毫無關系。也就是說,該實驗有一個最重要的實驗步驟:對粒子的測量。現在這個步驟被偷換成“打開密室看貓死活”了。事實上,無論打開密室100次或10000次,也沒有對粒子進行1次測量,所以貓的狀态永遠不會改變(除非老死或郁悶死)。

看下面兩個過程,就不難發現錯誤所在:

将A關聯到B,B關聯到C,觀察C就等于觀察A。

将A關聯到B,B關聯到C,給A一個作用,觀察C會發生哪些關聯變化。

很顯然,“薛定谔貓”實驗偷偷把“給A一個作用”(即“測量粒子”)砍了,這樣C當然不會發生什麼變化。

至于推論二,是混淆邏輯。在實驗中隻有一條因果“如果原子核衰變,則會打開毒氣毒死貓”,與它等價的應該是“隻要原子核不衰變,毒氣就不會被打開,貓即不會受到影響”。

把這兩個推論再準确地描述一下,應該是:

推論一:根據概率,對“原子核測量”兩次就可能有一次是衰變的。這樣貓就死了。

推論二:如果不進行“原子核測量”,原子核就保持疊加狀态,貓就一直處于最初的狀态(即活着的狀态)。

疑惑推論

盡管量子論的誕生已經過了一個世紀,其輝煌鼎盛與繁榮也過了半個世紀。但是量子理論曾經引起的困惑至今仍困惑着人們。正如玻爾的名言:“誰要是第一次聽到量子理論時沒有感到困惑,那他一定沒聽懂。”薛定谔的貓就是諸多量子困惑中有代表性的一個。

原子核的衰變是随機事件,物理學家所能精确知道的隻是半衰期——衰變一半所需要的時間。如果一種放射性元素的半衰期是一天,則過一天,該元素就少了一半,再過一天,就少了剩下的一半。但是,物理學家卻無法知道,它在什麼時候衰變,上午,還是下午。當然,物理學家知道它在上午或下午衰變的幾率——也就是雌貓在上午或者下午死亡的幾率。

如果我們不揭開密室的蓋子,根據我們在日常生活中的經驗,可以認定,雌貓或者死,或者活。這是她的兩種本征态。但是,如果我們用薛定谔方程來描述薛定谔貓,則隻能說,她處于一種活與不活的疊加态。我們隻有在揭開蓋子的一瞬間,才能确切地知道雌貓是死是活。此時,貓的波函數由疊加态立即收縮到某一個本征态。

量子理論認為:如果沒有揭開蓋子,進行觀察,我們永遠也不知道雌貓是死是活,她将永遠到處于半死不活的疊加态。這與我們的日常經驗嚴重相違,要麼死,要麼活,怎麼可能不死不活,半死半活。

薛定谔挖苦說:按照量子力學的解釋,箱中之貓處于“死-活疊加态”——既死了又活着!要等到打開箱子看貓一眼才決定其生死。(請注意!不是發現而是決定,僅僅看一眼就足以緻命!)正像哈姆雷特王子所說:“是死,還是活,這可真是一個問題。”隻有當你打開盒子的時候,叠加态突然結束(在數學術語就是“坍縮(collapse)”),哈姆雷特王子的猶豫才終于結束,我們知道了貓的确定态:死,或者活。哥本哈根的幾率诠釋的優點是:隻出現一個結果,這與我們觀測到的結果相符合。

一個大的問題:它要求波函數突然坍縮。但物理學中沒有一個公式能夠描述這種坍縮。盡管如此,長期以來物理學家們出于實用主義的考慮,還是接受了哥本哈根的诠釋。付出的代價是:違反了薛定谔方程。這就難怪薛定谔一直耿耿于懷了。

尋找解釋

哥本哈根诠釋在很長的一段時間成了“正統的”、“标準的”诠釋。但那隻不死不活的貓卻總是像惡夢一樣讓物理學家們不得安甯。格利賓在《尋找薛定谔的貓》中想告訴我們的是,哥本哈根诠釋在哪兒失敗,以及用什麼诠釋可以替代它。

1957年,埃弗雷特提出的“多世界诠釋”似乎為人們帶來了福音,雖然由于它太離奇開始沒有人認真對待。格利賓認為,多世界诠釋有許多優點,由此它可以代替哥本哈根诠釋。我們下面簡單介紹一下埃弗雷特的多世界诠釋。

格利賓在書中寫道:“埃弗雷特指出兩隻貓都是真實的。有一隻活貓,有一隻死貓,但它們位于不同的世界中。問題并不在于盒子中的放射性原子是否衰變,而在于它既衰變又不衰變。當我們向盒子裡看時,整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其餘的各個方面都是全同的。

唯一的區别在于其中一個版本中,原子衰變了,貓死了;而在另一個版本中,原子沒有衰變,貓還活着。”也就是說,上面說的“原子衰變了,貓死了;原子沒有衰變,貓還活着”這兩個世界将完全相互獨立地演變下去,就像兩個平行的世界一樣。格利賓顯然十分贊賞這一诠釋,所以他接着說:“這聽起來就像科幻小說,然而它是基于無懈可擊的數學方程,基于量子力學樸實的、自洽的、符合邏輯的結果。”“在量子的多世界中,我們通過參與而選擇出自己的道路。在我們生活的這個世界上,沒有隐變量,上帝不會擲骰子,一切都是真實的。”按格利賓所說,愛因斯坦如果還活着,他也許會同意并大大地贊揚這一個“沒有隐變量,上帝不會擲骰子”的理論。

诠釋的優點是:薛定谔方程始終成立,波函數從不坍縮,由此它簡化了基本理論。它的問題是:設想過于離奇,付出的代價是這些平行的世界全都是同樣真實的。這就難怪有人說:“在科學史上,多世界诠釋無疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論。”

薛定谔方程

埃爾溫·薛定谔在20世紀20年代中期創立了現在被稱為量子力學分支中的一個方程。後來被稱之為薛定谔方程:  

▽²ψ(x,y,z)+(8π²m/h²)[E-U(x,y,z)]ψ(x,y,z)=0

量子理論是20世紀科學的重大進展之一,但由于量子力學對傳統觀念所帶來的巨大沖擊,連“量子”的提出者在内的科學家都想盡各種辦法拒絕它,或做出各種調和性的解釋。事實上,薛定谔就被量子力學的結果弄得心神不安,他不喜歡波粒二象性的二元解釋以及波的統計解釋,試圖建立一個隻用波來解釋的理論。薛定谔嘗試着用一個理想實驗來檢驗量子理論隐含的不确之處。設想在一個封閉的匣子裡,有一隻活貓及一瓶毒藥。當衰變發生時,藥瓶被打破,貓将被毒死。按照常識,貓可能死了也可能還活着。但是量子力學告訴我們,存在一個中間态,貓既不死也不活,直到進行觀察看看發生了什麼。

量子力學認為:除非進行觀測,否則一切都不是真實的。愛因斯坦和少數非主流派物理學家拒絕接受由薛定谔及其同事創立的理論結果。愛因斯坦認為,量子力學隻不過是對原子及亞原子粒子行為的一個合理的描述,是一種唯象理論,它本身不是終極真理。他說過一句名言:“上帝不會擲骰子。”他不承認薛定谔的貓的非本征态之說,認為一定有一個内在的機制組成了事物的真實本性。他花了數年時間企圖設計一個實驗來檢驗這種内在真實性是否确在起作用,但他沒有完成這種設計就去世了。

薛定谔貓态

美國科學家宣布,他們成功讓6個铍離子系統實現了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加态,也就是量子力學理論中的“薛定谔貓”态。根據量子力學理論,物質在微觀尺度上存在兩種完全相反狀态并存的奇特狀況,這被稱為有效的相幹疊加态。由大量微觀粒子組成的宏觀世界是否也遵循量子疊加原理。

奧地利物理學家薛定谔為此在1935年提出著名的“薛定谔貓”佯謬。“薛定谔貓”佯謬假設了這樣一種情況:将一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。鐳的衰變存在幾率,如果鐳發生衰變,會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子,貓就會死;如果鐳不發生衰變,貓就存活。根據量子力學理論,由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀态的疊加,貓就理應處于死貓和活貓的疊加狀态。這隻既死又活的貓就是所謂的“薛定谔貓”。

顯然,既死又活的貓是荒謬的。薛定谔想要借此闡述的物理問題是:宏觀世界是否也遵從适用于微觀尺度的量子疊加原理。“薛定谔貓”佯謬巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯系起來,旨在否定宏觀世界存在量子疊加态。然而随着量子力學的發展,科學家已先後通過各種方案獲得了宏觀量子疊加态。此前,科學家最多使4個離子或5個光子達到“薛定谔貓”态。但如何使更多粒子構成的系統達到這種狀态并保存更長時間,已成為實驗物理學的一大挑戰。

美國國家标準和技術研究所的萊布弗裡特等人在最新一期《自然》雜志上稱,他們已實現擁有粒子較多而且持續時間最長的“薛定谔貓”态。實驗中,研究人員将铍離子每隔若幹微米“固定”在電磁場阱中,然後用激光使铍離子冷卻到接近絕對零度,并分三步操縱這些離子的運動。為了讓盡可能多的粒子在盡可能長的時間裡實現“薛定谔貓”态,研究人員一方面提高激光的冷卻效率,另一方面使電磁場阱盡可能多地吸收離子振動發出的熱量。最終,他們使6個铍離子在50微秒内同時順時針自旋和逆時針自旋,實現了兩種相反量子态的等量疊加糾纏,也就是“薛定谔貓”态。

奧地利因斯布魯克大學的研究人員也在同期《自然》雜志上報告說,他們在8個離子的系統中實現了“薛定谔貓”态,但維持時間稍短。科學家稱,“薛定谔貓”态不僅具有理論研究意義,也有實際應用的潛力。比如,多粒子的“薛定谔貓”态系統可以作為未來高容錯量子計算機的核心部件,也可以用來制造極其靈敏的傳感器以及原子鐘、幹涉儀等精密測量裝備。

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