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爱因斯坦的骰子,薛定谔的猫,你真的懂吗?
2020-10-17           作者: 姿势分子knowledge

物理学上有四大神兽,其中最著名的一个,莫过于是薛定谔的猫。

作为讨论量子力学就不可能绕过的话题,薛定谔的猫的名气已经远远超出了量子力学的范围。当然了,有些人只不过是拿它来开玩笑。但是还有更多的人,自以为了解薛定谔的猫,实则有着非常大的误解。那么,薛定谔的猫到底是什么意思呢?它为何还和爱因斯坦有关呢?

事情还要说回到1935年。

当时的量子力学已经成型,但是仍然有一些物理学家对此十分怀疑,其中最著名的一个,就是爱因斯坦。在索尔维会议上,爱因斯坦和玻尔就量子力学的问题展开过激烈的争辩,最终仍然谁也不服谁。爱因斯坦放出狠话:“上帝不掷骰子!”

这句话已经成为了流传后世的名言,但是就像薛定谔的猫一样,被大部分人所误解。

爱因斯坦反对量子力学吗?

其实并不。如果爱因斯坦是全盘否认量子力学,他当初就不会利用光量子假说来解释光电效应。

实际上,爱因斯坦只是对于量子力学中的一些说法比较反感,比如测量会改变量子状态这种事,其集中表现就在于一点——叠加态的坍缩。

叠加态到底是什么意思呢?我们一会再说。大家暂且还是按照自以为的原理来理解,我们继续把故事说下去。

一个好汉三个帮,爱因斯坦也不例外。1935年,他和其他几个反对量子力学的朋友们一起,发表论文反对量子力学中的概率问题。他们洋洋自得,认为这一次的攻击会让坚信量子力学的哥本哈根学派缴械投降。

(图片说明:量子力学的领军人玻尔)

与此同时,爱因斯坦的另一个支持者也站了出来,他就是薛定谔。尽管提出了量子力学中重要的 薛定谔方程,但薛定谔同样对量子力学中所谓的概率嗤之以鼻。长期以来,薛定谔和爱因斯坦两个人就在大西洋两岸不断书信往来,隔着数千公里对量子力学表示着彼此的同仇敌忾,同时还互相出谋划策。

在1935年发表了论文之后,爱因斯坦还在给薛定谔的书信中出了一个主意,那就是设计一个思想实验,能够把微观尺度所谓的叠加态扩展到宏观尺度,就可以看出它的荒谬来。为此,爱因斯坦设计了几个雏形,比如处于“爆炸和不爆炸叠加态的炸药”,或是“打开盒子发现里面有球或者没有球的叠加态”。最终,在爱因斯坦的启示下,薛定谔将宏观物质换成了猫,于是这只量子力学神兽就此诞生。

为了方便下面的讲解,我们再详细介绍一下这只神兽。

在一个完全封闭的盒子里,有一只喵大王,还有一套复杂的装置。装置中有一个放射性原子,其衰变的概率为50%。如果它衰变,就会释放出一个α粒子,这个α粒子会触发电子开关,进而导致它控制的一个锤子落下,恰好砸碎一个装有剧毒氰化物的瓶子,将猫毒死。

于是薛定谔指出:既然这个原子处于衰变和不衰变的叠加态,那么整个装置都处于叠加态,猫本身也处于叠加态。虽然打开盒子之后能清楚地看见猫是死是活,但是只要不打开盒子,那么猫就处于既死又活的叠加态。

显然,这个世界上不可能出现一只既死又活的猫,由此可以证明量子力学的叠加态是多么荒谬。

和爱因斯坦一样,薛定谔在发表这篇论文的时候,也是十分得意,自以为能够让玻尔等人俯首称臣。看到这个实验的时候,爱因斯坦也忍不住拍案叫绝,为了自己阵营里能有薛定谔这样的人才而庆幸。他们万万想不到,这个让他们引以为豪的“杰作”非但没有推翻量子力学,反而在后人的误解之下成为了量子力学的代表。

实际上,直到今天,科学家们仍然在争辩薛定谔的猫到底哪里出了问题。如今,量子力学的地位已经不容置疑,叠加态也已经被广泛承认。但另一方面,一只猫也不可能同时既是死的又是活的。显然,这一定是中间的环节出了问题。

不过,这里我们要注意一点:叠加态的猫真的是既死又活吗?

这就是大家对于叠加态的误解。网络上有人传播冷知识,说字量子领域,一个粒子可以同时出现在两个地方,这就是叠加态。可以说,这样的人完全不懂得什么叫做叠加态。

科学家做了一个比喻非常贴切:假设你的面前有一个硬币,它没有老老实实地躺在那里,而是不断地旋转。如果你用手拍它,它就会马上倒在地上,这时你就能知道它是正面朝上还是背面朝上。但是,如果你任由它继续旋转,那么它就好像是量子领域的叠加态。你不可能说这枚硬币处于正面和背面都朝上的叠加态,因为它只是侧面朝上。

同理,量子领域中的微观粒子并非同时存在于两个地方,而是完全属于另一个状态。放在薛定谔的猫思想实验中,这只猫不是既死又活的状态,而是既没有死也没有活的状态。

从这个角度来讲,爱因斯坦的那个比喻也比薛定谔的猫更加接近叠加态。他说上帝不掷骰子,其实这个旋转的骰子就相当于刚才那个例子中的旋转硬币一样,至于哪一面朝上,要等它停止旋转才可以。而在量子领域,这些“骰子”或者“硬币”永远都处于“旋转”的状态,而人们的观测就像是你去拍那枚硬币,是使它停止“旋转”的一个动作。玻尔等人相信,当我们去观测这些微观粒子的时候,它们就会从叠加态坍缩到本征态,也就是有一个确定的属性。

而爱因斯坦所反对的,正是这一点:什么叫观测?难道粒子长眼了、知道有人类在看自己?宇宙又是怎么知道自己被观测了的?我有没有用眼睛看它,对它又有什么实际影响呢?

因此,爱因斯坦不相信粒子的叠加态,是不相信这种不确定的状态。他认为:我们之所以认为它们处于叠加态,不观测就不知道它们在哪里,是因为自己的科学水平还不够。这就像以前的天文学家看见水星运行时诡异的进动现象,以为有一颗更靠近太阳的行星在干扰。但实际情况是,当物理学发展到一定程度,就能够完美解释水星进动的问题,而这个问题正是他本人利用广义相对论给彻底解决的(这是我自己举的例子,不是爱因斯坦举的)。

打个更通俗的比方:爱因斯坦认为,所谓量子力学的概率问题,就相当于一个人考试时做选择题,明明不知道答案,却理直气壮地说A有40%概率是对的,B和C对的概率各有30%——这个回答自然是不可能在考试中得分的。

总之,关于薛定谔的猫以及爱因斯坦对量子力学的质疑,有以下三点需要重新认识:

 

  • 爱因斯坦的确在量子力学方面和玻尔等人有所争执,但他绝对不是完全否认量子力学;
  • 薛定谔的猫最初是为了质疑量子力学,而不是支持量子力学;
  • 叠加态也不是简单的两种不同状态的叠加,而是处于另外一种状态,在被观测的情况下才会坍缩到其中一种可能。

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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