標籤: 暫無標籤

薛定諤貓。又稱:薛定諤的貓英語名稱:Schroumldinger's cat實驗內容:薛定諤貓是關於量子理論的一個理想實驗。薛定諤貓十分可憐,她(假設這是一隻雌性的貓,以引起更多憐憫)被封在一個密室里,密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個鎚子,鎚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α粒子,觸動電子開關,鎚子落下,砸碎毒藥瓶,釋放出裡面的氰化物氣體,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。

1 薛定諤貓 -觀點提出

薛定諤貓薛定諤貓
原文:薛定諤在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,薛定諤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,一個粒子的狀態模糊不清,處於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。只要沒有觀察,它便處於衰變/不衰變的疊加狀態中,只有確實地測量了,它才隨機選擇一種狀態而出現。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態。現在薛定諤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里的一個毒氣瓶,而同時在箱子里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,那麼貓就好好地活著。
薛定諤貓原子(含電子,質子,中子)-內部結構模型圖
薛定諤貓薛定諤貓

自然的推論

:當它們都被鎖在箱子里時,因為我們沒有觀察,所以那個原子處在衰變/不衰變的疊加狀態。因為原子的狀態不確定,所以貓的狀態也不確定,只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里死掉了,要麼它活蹦亂跳地「喵嗚」直叫。問題是,當沒有打開箱子之前,這隻貓處在什麼狀態,似乎唯一的可能就是,它和我們的原子一樣處在疊加態,這隻貓當時陷於一種死/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態。這都和常識太過衝突,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,薛定諤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。

2 薛定諤貓 -實驗漏洞

薛定諤貓薛定諤貓
根據量子理論,原子核處於衰變和不衰變的疊加狀態,只要我們不「測量」它,它就保持這種狀態,因此貓就不會死。一旦我們「測量」它,它即隨機選擇衰變或不衰變的瞬時狀態,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,貓就一直處於未知(不死不活)的狀態。

朱生雲認為,「薛定諤貓」混淆了一個關鍵概念「觀察」和「測量」。「打開密室觀察貓的狀態」和實驗物理中的「測量粒子狀態」,簡直毫無關係。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,所以貓的狀態永遠不會改變(除非老死或鬱悶死)。

看下面兩個過程,就不難發現錯誤所在:
將A關聯到B,B關聯到C,觀察C就等於觀察A。
將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,「薛定諤貓」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。

至於推論二,是混淆邏輯。在實驗中只有一條因果「如果原子核衰變,則會打開毒氣毒死貓」,與它等價的應該是「只要原子核不衰變,毒氣就不會被打開,貓即不會受到影響」。

把這兩個推論再準確地描述一下,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態,貓就一直處於最初的狀態(即活著的狀態)。

3 薛定諤貓 -疑惑推論

薛定諤貓薛定諤貓 量子計算機原理
儘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。」薛定諤的貓就是諸多量子困惑中有代表性的一個。

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。如果一种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。這是她的兩種本徵態。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徵態。

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,要麼死,要麼活,怎麼可能不死不活,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。(請注意!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,迭加態突然結束(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。

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。儘管如此,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。

4 薛定諤貓 -尋找解釋

薛定諤貓薛定諤貓
哥本哈根詮釋在很長的一段時間成了「正統的」、「標準的」詮釋。但那隻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,以及用什麼詮釋可以替代它。

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:「埃弗雷特指出兩隻貓都是真實的。有一隻活貓,有一隻死貓,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。當我們向盒子里看時,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。格利賓顯然十分讚賞這一詮釋,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,沒有隱變數,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讚揚這一個「沒有隱變數,上帝不會擲骰子」的理論。

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。」

5 薛定諤貓 -薛定諤方程

薛定諤貓量子力學(薛定諤貓佯謬)

埃爾溫·薛定諤在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。後來被稱之為薛定諤方程:  

▽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,但由於量子力學對傳統觀念所帶來的巨大衝擊,連「量子」的提出者在內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,薛定諤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,試圖建立一個只用波來解釋的理論。薛定諤嘗試著用一個理想實驗來檢驗量子理論隱含的不確之處。設想在一個封閉的匣子里,有一隻活貓及一瓶毒藥。當衰變發生時,藥瓶被打破,貓將被毒死。按照常識,貓可能死了也可能還活著。但是量子力學告訴我們,存在一個中間態,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諤及其同事創立的理論結果。愛因斯坦認為,量子力學只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。」他不承認薛定諤的貓的非本徵態之說,認為一定有一個內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內在真實性是否確在起作用,但他沒有完成這種設計就去世了。

6 薛定諤貓 -薛定諤貓態

薛定諤貓現六光子薛定諤貓態
美國科學家宣布,他們成功讓6個鈹離子系統實現了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態,也就是量子力學理論中的「薛定諤貓」態。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態並存的奇特狀況,這被稱為有效的相干疊加態。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諤為此在1935年提出著名的「薛定諤貓」佯謬。「薛定諤貓」佯謬假設了這樣一種情況:將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。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,由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加,貓就理應處於死貓和活貓的疊加狀態。這隻既死又活的貓就是所謂的「薛定諤貓」。

顯然,既死又活的貓是荒謬的。薛定諤想要藉此闡述的物理問題是:宏觀世界是否也遵從適用於微觀尺度的量子疊加原理。「薛定諤貓」佯謬巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯繫起來,旨在否定宏觀世界存在量子疊加態。然而隨著量子力學的發展,科學家已先後通過各種方案獲得了宏觀量子疊加態。此前,科學家最多使4個離子或5個光子達到「薛定諤貓」態。但如何使更多粒子構成的系統達到這種狀態並保存更長時間,已成為實驗物理學的一大挑戰。

美國國家標準和技術研究所的萊布弗里特等人在最新一期《自然》雜誌上稱,他們已實現擁有粒子較多而且持續時間最長的「薛定諤貓」態。實驗中,研究人員將鈹離子每隔若干微米「固定」在電磁場阱中,然後用激光使鈹離子冷卻到接近絕對零度,並分三步操縱這些離子的運動。為了讓儘可能多的粒子在儘可能長的時間裡實現「薛定諤貓」態,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儘可能多地吸收離子振動發出的熱量。最終,他們使6個鈹離子在50微秒內同時順時針自旋和逆時針自旋,實現了兩種相反量子態的等量疊加糾纏,也就是「薛定諤貓」態。

奧地利因斯布魯克大學的研究人員也在同期《自然》雜誌上報告說,他們在8個離子的系統中實現了「薛定諤貓」態,但維持時間稍短。科學家稱,「薛定諤貓」態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「薛定諤貓」態系統可以作為未來高容錯量子計算機的核心部件,也可以用來製造極其靈敏的感測器以及原子鐘、干涉儀等精密測量裝備。

7 薛定諤貓 -公眾議論

薛定諤貓薛定諤貓
薛定諤的實驗把量子效應放大到了我們的日常世界,現在量子的奇特性質牽涉到我們的日常生活了,牽涉到我們心愛的寵物貓究竟是死還是活的問題。這個實驗雖然簡單,卻比EPR要辛辣許多,這一次扎得哥本哈根派夠疼的。他們不得不退一步以咽下這杯苦酒:是的,當我們沒有觀察的時候,那隻貓的確是又死又活的。

量子派後來有一個被哄傳得很廣的論調說:「當我們不觀察時,月亮是不存在的」。這稍稍偏離了本意,準確來說,因為月亮也是由不確定的粒子組成的,所以如果我們轉過頭不去看月亮,那一大堆粒子就開始按照波函數彌散開去。於是乎,月亮的邊緣開始顯得模糊而不確定,它逐漸「融化」,變成概率波擴散到周圍的空間里去。當然這麼大一個月亮完全融化成空間中的概率是需要很長很長時間的,不過問題的實質是:要是不觀察月亮,它就從確定的狀態變成無數不確定的疊加。不觀察它時,一個確定的,客觀的月亮是不存在的。但只要一回頭,一輪明月便又高懸空中,似乎什麼事也沒發生過一樣。

不能不承認,這聽起來很有強烈的主觀唯心論的味道。雖然它其實和我們通常理解的那種哲學理論有一定區別,不過講到這裡,許多人大概都會自然而然地想起貝克萊(George Berkeley)主教的那句名言:「存在就是被感知」(拉丁文:Esse Est Percipi)。這句話要是稍微改一改講成「存在就是被測量」,那就和哥本哈根派的意思差不離了。貝克萊在哲學史上的地位無疑是重要的,但人們通常樂於批判他,哥本哈根派是否比他走得更遠。好歹貝克萊還認為事物是連續客觀地存在的,因為總有「上帝」在不停地看著一切。而量子論?「陛下,我不需要上帝這個假設」。

與貝克萊互相輝映的東方代表大概要算王陽明。他在《傳習錄·下》中也說過一句有名的話:「你未看此花時,此花與汝同歸於寂;你來看此花時,則此花顏色一時明白起來」如果王陽明懂量子論,他多半會說:「你未觀測此花時,此花並未實在地存在,按波函數而歸於寂;你來觀測此花時,則此花波函數發生坍縮,它的顏色一時變成明白的實在」測量即是理,測量外無理。

8 薛定諤貓 -參考資料

1、《量子物理》
2、http://www.most.gov.cn/ztzl/jqzzcx/zzcxcxzzo/zzcxcxcg/zzcxgwcxcg/t20051206_26636.htm

上一篇[態疊加原理]    下一篇 [斯涅爾定律]

相關評論

同義詞:暫無同義詞