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薛定諤的貓 Schrodinger's Cat

本文发布时间: 2019-Mar-22
本文内容:

薛定諤的貓(Schrödinger's cat),是關於量子理論的一個理想實驗。
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著人們。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。”薛定諤的貓是諸多量子困惑中有代表性的一個。這個貓十分可憐,她(假設這是一只雌性的貓,以引起更多憐憫)被封在一個密室裏,密室裏有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個錘子,錘子由一個電子開關控制,電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變,則放出阿爾法粒子,觸動電子開關,錘子落下,砸碎毒藥瓶,釋放出裏面的氰化物氣體,雌貓必死無疑。這個殘忍的裝置由薛定諤所設計,所以雌貓便叫做薛定諤貓。原子核的衰變是隨機事件,物理學家所能精確知道的只是半衰期——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,它在什麽時候衰變,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。這是她的兩種本征態。但是,如果我們用薛定諤方程來描述薛定諤貓,則只能說,她處於一種活與不活的疊加態。我們只有在揭開蓋子的一瞬間,才能確切地知道雌貓是死是活。此時,貓的波函數由疊加態立即收縮到某一個本征態。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,她將永遠到處於半死不活的疊加態。這與我們的日常經驗嚴重相違,要麽死,要麽活,怎麽可能不死不活,半死半活?
薛定諤挖苦說:按照量子力學的解釋,箱中之貓處於“死-活疊加態”——既死了又活著!要等到打開箱子看貓一眼才決定其生死。(請註意!不是發現而是決定,僅僅看一眼就足以致命!)正像哈姆雷特王子所說:“是死,還是活,這可真是一個問題。”只有當你打開盒子的時候,叠加態突然結束(在數學術語就是“坍縮(collapse)”),哈姆雷特王子的猶豫才終於結束,我們知道了貓的確定態:死,或者活。哥本哈根的幾率詮釋的優點是:只出現一個結果,這與我們觀測到的結果相符合。但是有一個大的問題: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於實用主義的考慮,還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價是:違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿於懷了。
哥本哈根詮釋在很長的一段時間成了“正統的”、“標準的”詮釋。但那只不死不活的貓卻總是像惡夢一樣讓物理學家們不得安寧。格利賓在《尋找薛定諤的貓》中想告訴我們的是,哥本哈根詮釋在哪兒失敗,以及用什麽詮釋可以替代它。
1957年,埃弗雷特提出的“多世界詮釋”似乎為人們帶來了福音,雖然由於它太離奇開始沒有人認真對待。格利賓認為,多世界詮釋有許多優點,由此它可以代替哥本哈根詮釋。我們下面簡單介紹一下埃弗雷特的多世界詮釋。
格利賓在書中寫道:“埃弗雷特……指出兩只貓都是真實的。有一只活貓,有一只死貓,但它們位於不同的世界中。問題並不在於盒子中的放射性原子是否衰變,而在於它既衰變又不衰變。當我們向盒子裏看時,整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其余的各個方面都是全同的。唯一的區別在於其中一個版本中,原子衰變了,貓死了;而在另一個版本中,原子沒有衰變,貓還活著。”
也就是說,上面說的“原子衰變了,貓死了;原子沒有衰變,貓還活著”這兩個世界將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詮釋,所以他接著說:“這聽起來就像科幻小說,然而……它是基於無懈可擊的數學方程,基於量子力學樸實的、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,沒有隱變量,上帝不會擲骰子,一切都是真實的。”按格利賓所說,愛因斯坦如果還活著,他也許會同意並大大地贊揚這一個“沒有隱變量,上帝不會擲骰子”的理論。
這個詮釋的優點是:薛定諤方程始終成立,波函數從不坍縮,由此它簡化了基本理論。它的問題是:設想過於離奇,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,多世界詮釋無疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論。”


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