“薛定谔的猫”这个实验可能是实现吗?其探讨的问题是什么?
原创推荐 来源:网络 编辑:小蜜蜂 2019-06-06 16:30:24

  如果用一个通俗的概念来解释“薛定谔的猫”这个实验的原理的话,就是将一个人眼所见的表面的认知深刻化,就像一杯水,他给人的第一视觉感受就是透明,但是可以肉眼可见的实物,但是深究的时候,就会将其细节放大,这时候的视界可能又会是另一番的景象。但是与“薛定谔的猫”不同的是,一个是思想上的实验,一个是现实存在的实验。而这个实验的问题也是有着很多不同的见解的!

“薛定谔的猫”这个实验可能是实现吗?其探讨的问题是什么?

  这是个思想实验,是薛定谔用来反驳波尔对量子世界的哲学观的一个悖论,属于哲学范畴,并不属于科学实验的范畴。

  薛定谔的猫,按照波尔为首的哥本哈根学派来说,它必然行走在奇妙的生死叠加态之中,而这显然是个悖论,如何解决这个悖论,成为量子物理学后来发展的一个哲学难题。

  在哥本哈根学派的哲学观念中,在量子世界里,只有被观察/观测之后,物质才真实存在,在未进行观察之前,它们并不真实存在,这里的真实是指经典物理学中那种真实,严格说就是在未被观测之前,物质以概率波的形式存在,只有在进行观察之后,概率波才会发生塌缩,塌缩成一个经典物理学上的实体。将这样的观念延伸出来,就会得到薛定谔的猫悖论(悖论就是在观察之前,猫是处于生死叠加态吗?),还会得到另一个在大众中不太的另一个悖论:

  当我们不看(看就是一种观测)月亮时,月亮还存在吗?

  当我们不看月亮时,月亮也会变成一个随机弥散在时空中的概率波吗?只有当我们观察它时,它才会塌缩成一个经典物理学上的实在的月亮呢?

  而这里的问题是,只有人类的看或测量才是观察吗?

  在哥本哈根学派的初期解释中,以波尔为代表的量子物理学家就是这么理解的,包括现在许多物理学家或物理学爱好者也这么理解这个问题,但在人类诞生之前呢?整个宇宙都是一团弥漫的概率波吗?现在,量子物理学家们这样解释猫处于即生又死的悖论问题,那就是物质和物质之间只要发生了相互作用,那么概率波就会塌缩成一个经典物理学中的实在,并不需要一个具有主观意识的外部观察者,猫自己就是一个观察者,整个薛定谔猫实验的装置本身就可以自己观察自己,并不需要有一个人来打开箱子观察猫是死是活。当然,这样的解释未必能说服人。

  不管是否打开箱子看,猫都不会真的处于生和死的叠加态之中,结果是明确的。只要你抛弃需要由一个拥有主观意识的人去看才算进行了观察或观测这样的哲学观念就行。

  真相只有一个?

  在凶杀案中,只要一个人能够提供自己不在犯罪现场的客观证据,那么至少被害者就不会是这个人亲手杀死的,至于是否雇凶杀人,那是另一回事。在现实世界中,你不能同时即在A地又在B地。

  在量子世界里真相不止一个,而可能是无限多个。

  但这样的经验和直觉在量子世界中被打破了,单电子双缝实验,似乎就在说电子同时穿过了两条狭缝,它就是同时处于两个位置。通过巧妙的实验设计,可以让一个系统逐个释放电子,让这些电子通过两条紧挨着的狭缝,较终电子会在屏幕上形成特殊的干涉图案,对此的解释只能是,每个电子都同时地穿过了两条狭缝。

  在一次性的释放大量电子或光子中得到的干涉样图案,是用爱因斯坦提出的波粒二象性来解释的,光子即是粒子又是波,它们彼此间发生波峰波谷的干涉,于是出现规律的明暗条纹。但是单光子或单电子实验得到同样的实验结果,就让人不知所措了。

  让我们回顾一下原子的构成:原子核和电子,电子绕着原子核旋转,就像行星绕着其恒星运动一样。而且电子分层排布,低能电子靠近原子核,高能电子远离原子核。

  当低能量电子吸收一个光子后,会发生轨道跳跃,从内层轨道跳跃到外层轨道,而当它从外层轨道跃迁回到内层轨道时,就会释放一个光子。

  高能量光子(X射线,伽马射线)伤害人体的原理也和电子的跃迁有关,如果光子能量足够高,这个电子吸收光子能量后,甚至就能直接逃脱原子核的吸引,原子或分子就变成了少了电子的正离子,这个过程被称为电离,能引发电离的辐射,就是医院X光检查、CT检查室外面那个吓人的标志,电离辐射危险标志。

  如果物理学对原子的研究到此为止,那么一切都会和谐。

  但不幸的是,1926年,奥地利物理学家薛定谔在一次度假滑雪的时候,突然领悟“天机”,写出了让他得到诺贝尔物理学奖的薛定谔波函数方程,但也正是他亲手写下的这个方程,参与葬送了曾经美好、和谐的量子世界,从此让量子世界变得光怪陆离,并且引发了当时的物理学家们的大分裂,形成了两大阵营,一个以波尔为首,另一个以爱因斯坦为首的对垒,而薛定谔自己也站在了爱因斯坦身后,反对由他自己提出的波函数方程背后隐藏着的哲学寓意。

  薛定谔的波函数是个绝妙的方程,它描述了量子世界中那些亚原子粒子的行为和属性,以及它具有的可能的状态,包含了诸如能量、动量和位置等信息。但是薛定谔本人的确并未透彻地理解他亲手写下的波函数方程的物理学意义,他坚持认为这表明作为粒子的电子并不存在,波尔提出的电子轨道也不存在,电子不是一个粒子,电子只是一个弥漫的电子波,后来又被称为电子云。

  解决这个难题的方案,引发了极大的争论,间接导致经典物理学世界观在量子世界的坍塌,在这里主宰经典宏观物理学世界的因果律让位于概率。按照波尔的说法,电子轨道是波函数方程中电子出现概率较大的区域。但的确电子就是可以出现在地方,你还可以用薛定谔的波函数方程计算它们出现在任意位置的概率,但只要你对电子进行观测,那么它就会从无处不在的波,塌缩到某一个特定的位置上。

  当然按照海森堡测不准定律,你得到的电子位置越是准确,你测量到的电子的动量就越不准确,两者相乘恰好等于普朗克常数,一般性的理解是说,因为观测本身就会影响到亚原子粒子的状态。但由此带来一个哲学问题,那么在未观察前呢,未观察前电子会拥有确切的位置和确切的动量吗?这正是经典物理学的概念,宏观物体的位置和动量不依赖于我们的观察,它们是客观存在的,而波尔倡导的哥本哈根学派则从哲学上提出,海森堡测不准定律是量子世界的本性,当我们不去观察量子世界时,电子也同样不具有一个客观的具体的位置和特定的动量,这一切都只是概率。

  1927年,索尔维物理学会议,较的物理学家们分裂成三大阵营,但这次分裂奇妙地促进了量子物理学大发展,毕竟你的敌人越强,你还能赢,说明你真的很牛逼。

  从普朗克开启的量子时代发展到后期,形成了三个流派:

  1、只关心实验结果的实验派,以布拉格和康普顿为代表

  2、哥本哈根学派,由波尔开创,波恩和海森堡为左右臂膀

  3、反哥本哈根学派:爱因斯坦为领袖,德布罗意和薛定谔为左膀右臂

  后来因为对量子物理学抛弃因果律,而绝望自杀的另一个奥地利物理学家埃仑费斯特,在这次会议中,写信告诉他的弟子们:爱因斯坦就像一个弹簧玩偶,每天早上都带着新的主意(新的思想实验)从盒子里弹出来,向波尔发出质疑。而玻尔总能从云雾缭绕的哲学和物理学中找到合适的工具,把爱因斯坦的思想实验,一个接一个的碾碎。

  爱因斯坦和波尔的主要分歧就在于:

  1、量子世界中是否存在经典物理学中的客观实在,波尔认为不存在

  2、经典物理学的因果律在量子世界中是否还继续存在,波尔认为不存在

  爱因斯坦老人家有句名言:上帝不掷骰子。但其后数十年的研究证实,上帝真的在掷骰子,而且有时候还把骰子扔到看不见的地方去呢。

  新一代物理学家很快就厌倦了这场哲学争论,他们积极投身到量子世界的奇妙旅程中,只关心实验结果,不关心结果背后隐藏的世界观的物理学家们获得了一个又一个惊人的成果,并且迅速转变为改变现实的技术,如核弹、原子能技术、半导体、计算机等等,如今我们使用的许多技术都奠基在量子物理学的发展之中。

  但在这场论战中,爱因斯坦提出了的“量子纠缠"悖论,当时波尔使用:

  未观察前并不存在两个分开的粒子,是观察才得到两个粒子,因此不论这两个粒子相隔多远,它们都是一个整体,而不是独立的两个粒子,这可以解决在量子纠缠悖论中,信息将以光速传播这样的难题,因为这将违背狭义相对论。

  我国研发的量子纠缠卫星,实现远达上千公里的量子纠缠,这个技术据认为是终极信息加密术。

  有趣的是,量子纠缠竟然成真了,随着技术的发展,曾经想象中的量子纠缠现象已经被证实,这大概是爱因斯坦和波尔之争较重要的一个收获。有趣的是量子纠缠现象不是由波尔为首的量子物理学家们想到的,这就是争论的价值和意义了。

  薛定谔揪住量子纠缠不放,提出了让波尔为首这一学派的物理学家尴尬的生死猫论。

  当波尔坚持用没有观察就是概率,就没有经典力学中的客观实在来应对爱因斯坦的量子纠缠悖论的时候,薛定谔提出了的猫论。用这只想象中的猫的生死叠加态悖论来追问波尔,以波尔为代表的哥本哈根学派当时只能犟着脖子说:在观察之前猫就是处于既生又死的叠加态之中。至于这个既生又死的叠加态究竟是一个什么样的体验和感受,那就是另一回事了。

  薛定谔的这只猫,真的”逼疯“了许多量子物理学家,霍金就曾经说过,当他第一次听说薛定谔的猫悖论时,他的第一个反应就是,拿上一把枪,将这个该死的猫彻底弄死算球。

  解决猫生死叠加悖论的简单方法是扩大观察/观测的概念,不是说只有人去看才算数,其实整个试验系统自己就在进行观察,所谓观察就是物质的相互作用,在这个实验中,检查中子是否释放的盖革计数器就是一个观察者,而正是它决定了猫究竟是死还是活。

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