首页
/
每日頭條
/
寵物
/
薛定谔的貓長什麼樣
薛定谔的貓長什麼樣
更新时间:2024-04-17 00:37:20

這個問題很有代表性,實際上是因為題主沒搞清楚“随機性”的概念。雖然我們在生活中也經常說随機,但量子力學中的随機性和平時我們說的随機性是有微妙的差别的。

薛定谔的貓長什麼樣(解讀薛定谔的貓)1

舉個例子:在考試成績出來之前,不知道自己的分數,所以分數有可能是90分或者91分。如果我們确切地表述一下這句話,就是:由于我不知道自己已經确定的分數,所以它有一定的概率是90分,也有一定的概率是91分。

請注意,對于考試成績這件事,它的随機性來源于信息的缺失。實際上考試成績是确定的,隻是我們無法知道它,所以有了随機性。生活中我們說的随機事件大多屬于此類,比如,擲骰子得到的點數被認為是随機的,是因為我們不知道骰子的初始速度,受到的空氣阻力等等,如果這些都知道,用經典力學就能算出來骰子落在地上後最終的狀态,自然也就知道哪一面朝上了;再比如,我們說某地有可能發生地震,是因為我們不能在地球上所有位置都裝上探頭,如果我們知道了地球上所有石頭、土塊、岩漿、水等等東西的位置,理論上借助一個無比強大的計算機,就能夠精确地預測所有地質活動,包括地震。這些例子表明我們在生活中常說的随機性主要來自于信息的缺失。

薛定谔的貓長什麼樣(解讀薛定谔的貓)2

20世紀初量子力學的基本理論(波動力學和矩陣力學)建立後,遇到了一個比較大的問題,就是量子力學的理論對于物理量隻能給出它們的概率分布,而不能給出每一次觀測所得的結果。舉個簡單的例子,比如我對粒子衰變這個過程用量子力學計算,計算結果告訴我它有50%的可能性衰變,也有50%的可能性不衰變,實際上我對這樣的體系進行觀測,的确有可能看到它衰變,也有可能看到它不衰變;如果我準備很多個這樣的體系,并且記錄對每一個進行觀測的結果,便會發現大概有一半衰變了,還有一半沒有衰變,這很符合算出來的概率。

所以量子力學的理論讓很多科學家感到不舒服,因為在此之前所有的基本物理理論給出的結果都是确定的,比如經典力學算出一個東西的運動,它就應該在确定的時間出現在确定的位置;經典電動力學算出來點電荷的電場,也是在時空中有一個确定的分布。關于量子力學的理論為什麼隻能算出物理量的概率分布,主要有兩派觀點:

  1. (代表人物:愛因斯坦)量子力學隻能給出觀測得到的物理量的概率分布,是因為這個理論是不完備的,實際上這個随機性來自于信息的缺失,就是有一些我們不知道的因素在起作用,導緻無法确切地得知每一次觀測的結果,要解決随機性問題,我們需要繼續發展量子力學,直到我們找到那些不知道的因素,從而做出确切的預測。以粒子衰變為例,我之所以在對很多體系進行觀測後得到一半是衰變一半是不衰變的結果,是因為我們本來準備的這“很多體系”就不是相同的,有某種我們尚不知道的因素起作用,使得這些體系中的一半注定會衰變,另一半注定不會衰變;
  2. (代表人物:玻爾)量子力學非常完備,解的随機性是微觀世界的基本規律,沒有任何我們尚不知道的原因。以粒子衰變為例,在觀測前粒子的狀态不是确定的(意思是不是處于衰變或者不衰變這兩個狀态中的任何一個),而是所有可能狀态的疊加(意思是它處于“既衰變又不衰變”的狀态),觀測時粒子會随機地變成某一個态,這種随機性是粒子的基本規律。

可以看出,第一種觀點還是認為量子力學中的随機性和我們生活中一樣,是因為缺失信息導緻的,這種觀點發展為隐變量理論(即“不知道但是存在的變量”)。第二種觀點則認為量子力學中的随機性是“真正的随機”,這種随機性是本質上的東西,即使有人知道一切,他也無法搞清楚面前的這個粒子是否會衰變;這個粒子的随機性既然是本質的,那麼在觀測前它必然不傾向于任何一種狀态,所以隻能處于衰變和不衰變兩種狀态的疊加。

我們生活的宏觀世界從來沒有人觀察到過疊加态,比如一個人有可能是男生或者女生,但是決不可能是男生和女生的疊加态(即“既是男生又是女生”),所以對第二種觀點的懷疑從來沒有停止過。但玻爾宣稱生活中從來沒有遇到過疊加态這種情況的原因是量子力學是微觀物體的規律,日常生活中所遇到的各種東西不夠小,所以不能用量子力學做出預測。薛定谔覺得玻爾這是在回避問題,于是就提出了薛定谔的貓這個思想實驗,他把微觀粒子處于衰變和不衰變的疊加态變成了貓的生死疊加态,借此說明玻爾觀點的荒唐。

薛定谔的貓長什麼樣(解讀薛定谔的貓)3

薛定谔的貓這個思想實驗什麼都說明不了,是因為問題本身把貓是生還是死的随機性理解成了因為信息缺失(不知道貓的生死,但是生死是确定的)而導緻的(這是愛因斯坦和薛定谔等人的觀點),但是根據玻爾的解釋,在打開蓋子前,貓的狀态是生和死的疊加,觀測後變成生還是死是本質上的随機,這毫無疑問是非常反直覺的。薛定谔提出該思想實驗的主要目的是反駁玻爾的觀點,因為用觀點1去解釋這件事毫無問題,而觀點2解釋就會有“生死疊加态”這種非常奇怪的結果。

薛定谔的貓長什麼樣(解讀薛定谔的貓)4

直到愛因斯坦、玻爾、薛定谔等人去世,這兩種觀點的争論都沒有平息。物理學是基于實驗的,理論上隻要兩種觀點對同一件事能給出不同的預測,做一個實驗就能發現哪種是對的。問題是這兩個觀點主要的不同是對于一個微觀體系在觀測前的狀态給出的不同解釋,觀點1認為觀測前體系的狀态是确定的,觀點2認為觀測前體系的狀态是不确定的。由于做實驗隻能知道實驗時的數據,而沒法知道做實驗前的數據,所以很多物理學家都放棄了争論這個問題,因為他們覺得這兩個解釋對于實際實驗給出的結果完全一樣。

然而,1964年約翰·貝爾的一篇論文指出,隐變量理論和哥本哈根诠釋(就是玻爾堅持的解釋)在某些實驗條件下會給出不同的結果,具體的技術細節在這裡就不說了。于是對應的實驗開始出現,迄今為止所有的實驗都發現哥本哈根诠釋是正确的

既然玻爾的理論成立,又如何解釋貓的生死疊加态的問題呢?我個人比較傾向于70年代發展起來的量子退相幹(此處略去,後面會有詳細講解,感興趣的朋友可以搜索簡單了解下),它至少對于為什麼宏觀世界從來沒有疊加态給出了較合理的解釋。相關的問題現在仍然是研究熱點,希望有朝一日能得到徹底的解決。

,
Comments
Welcome to tft每日頭條 comments! Please keep conversations courteous and on-topic. To fosterproductive and respectful conversations, you may see comments from our Community Managers.
Sign up to post
Sort by
Show More Comments
Copyright 2023-2024 - www.tftnews.com All Rights Reserved