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正转:24.薛定谔的猫

 科学声音 2021-04-08

上文书说到爱因斯坦和波多尔斯基还有罗森三个人合伙发表了一篇论文。这篇论文主要在质疑量子力学的完备性。这篇文章写的非常复杂。因为这篇文章不是讨论一个量子的不确定性问题,而是在讨论多个量子的不确定性。你玻尔不是提出互补性原理吗。你们哥本哈根学派不是说,你要是对量子不做观测,那么量子的状态就没决定,量子就处于叠加态吗!好吧,我们仨发现一种极为特殊的情况,这回是两个粒子纠缠在一起。两个叠加态掺合着来。看你怎么收拾。

这是怎么一种状态呢,爱因斯坦他们三个写的太过复杂。后来波姆搞了个简化版本。我们来大概描述一下。就比如一个不太稳定的粒子,刚好发生了衰变。一下子分解成了两个粒子。那么为了保持动量守恒,那么分解的这两个粒子一定是往两个方向走的。一个往东另一个必定往西,一个往南另一个必定往北啊。为啥呢?原先的那个大粒子假设是不动的,我们死盯着它。那么在我们看来这个大粒子的动量就是0 啊。不动嘛,动量当然是0。即便它衰变了,啪的一声分解成了两个粒子。那么还是要维持动量守恒状态啊。分解成了两个以后,运动的方向必定相反,大家才能动量抵消,维持动量守恒。因此你要是在北边抓到一个,那么另一个必定是往南去了。同样的道理,角动量也要守恒啊。你要是抓到一个,一测量,自旋是正转,那么那一个必定是反转的。不然就不守恒了。可是按照玻尔他们哥本哈根学派的意思,其实你没测量之前啊,一切都没决定呢。一切都是叠加态。那么好了,也就是说,这两个粒子在你测量之前,他们根本就没决定谁是正转谁是反转。他们都处于叠加态。就等着你来观测。你抓住一个一看,这个粒子就决定下来了。比方说是正转的。那么就在此时此刻,另一个粒子不管离着多远都会立即决定下来是反转。反正这两个家伙老是反着。为了维持角动量守恒啊。那好吧,假如是你观测的那一瞬间才决定的,那么另外一个粒子是也需要在同一时刻也决定下来。不管离的距离有多远,哪怕另一个粒子远在宇宙另一端。那么也会立即响应。说术语叫波函数塌缩。在爱因斯坦他们看来,这事儿太诡异了。要知道本宇宙的信息传播速度上限就是光速。这两个粒子是靠啥东西能够不需要时间就完成协同一致的步调呢?再打个通俗的比方。我扔出两个硬币,两个硬币向相反的方向飞出去了,一个在我这边,另一个飞到了宇宙另一边。两个硬币都在乱转,是正是反还没决定呢,处于叠加态。我拿手按住一个一看,是正面朝上。这一瞬间,宇宙另一头的那个硬币立马知道了。立刻趴下来反面朝上。它怎么知道的?爱因斯坦他们三个以及后来的波姆都觉得这是是不可能的。背后一定有个我们还不知道的东西在捣鬼。管这个东西叫做隐变量。这就是所谓的隐变量理论。

泡利看到这篇文章以后,火气立刻上来了。他觉得爱因斯坦还是脑子转不过弯儿来。怎么你就跟哥本哈根解释过不去呢。你怎么就老觉得量子力学不完备呢?对于爱因斯坦提出来的这个东西,他觉得没啥大惊小怪的。他就怂恿师弟海森堡写文章反驳。海森堡也觉得爱因斯坦说的不对。他写了个草稿,还没发表。玻尔已经出来写文章反驳爱因斯坦了。海森堡一看中军主将出手了。他就不用往前冲了。他的草稿就没发表。

玻尔非常老道,他发现EPR论题相当奥妙,需要周详地思考,他立刻放下手里所有其它工作,专心研究EPR论题。同年7月,玻尔撰写完毕反驳论文。他一眼就看出了其中的问题。爱因斯坦他们几个对于这件事儿的描述是靠谱儿的。也就是说这种两个粒子纠缠在一起不能分割的推导是没有问题的。在玻尔看来就是这么回事儿,没有啥大惊小怪的。关键问题是爱因斯坦的哲学观念还是经典的。那就是一切都是确定的,他不能接受哥本哈根学派的几率解释。因此玻尔也写了一篇论文来回击爱因斯坦。波尔最可气的是直接拿了爱因斯坦文章的题目来做自己的文章。说白了他俩写的论文题目完全一样。也叫《能认为量子力学对物理实在的描述是完全的吗?》。玻尔在文章中给出的答案当然是肯定的。量子力学就是完备的。爱因斯坦的思路完全是经典的,总是认为有一个离开观测手段而存在的实在世界。这个世界图像是和波尔代表的哥本哈根派的“观测手段影响结果”的观点完全不一致的。玻尔认为,微观的实在世界,只有和观测手段连起来讲才有意义。在观测之前,并不存在两个客观独立的粒子。只有波函数描述的一个互相关联的整体。既然只是协调相关的一体,它们之间无需传递什么信号!因此,EPR佯谬只不过是表明了两派哲学观的差别:爱因斯坦的“经典局域实在观”和波尔一派的“量子非局域实在观”的根本区别。

爱因斯坦当然不接受这种说法,玻尔根本没法说服他。这两个人一旦牵扯到哲学,那基本上属于鸡同鸭讲,互相不买账。爱因斯坦给薛定谔写信啊。这俩人是一伙的。薛定谔正在英国呢。他一看爱因斯坦的EPR佯谬,立刻挑大指称赞。姜不愧是老的辣。这东西写的好复杂啊。这么复杂的东西都能 被你给想出来了。薛定谔给起的名字叫量子纠缠。这个名字用来称呼这种现象是在合适不过了。

薛定谔一看爱因斯坦出手了,但是还是压不住哥本哈根学派啊。人家哥本哈根学派的基本观点是,微观世界的事儿,跟宏观世界不是一回事儿。微观世界遵循的就是这种不确定性的规律。薛定谔说好吧,我给你们找点儿麻烦吧。他洋洋洒洒的写了一大片东西叫做《量子力学的现状》。听着名字就有点儿来者不善的意思。他在第5章里面就描述了一个思想实验。薛定谔心说,我就想法子把微观世界的问题给拿到宏观世界来,这下就容易引出矛盾。薛定谔就设想了一只猫。也不知道猫什么时候得罪他了。他非要拿猫来做实验。


薛定谔是这么描述的。把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子连接到一个装置,其中包含一个原子核和毒气设施。设想这个原子核有50%的可能性发生衰变。衰变时发射出一个粒子,这个粒子将会触发毒气设施,从而杀死这只猫。根据量子力学的原理,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,因此,那只可怜的猫就应该相应地处于'死’和'活’ 的叠加态。非死非活,又死又活,状态不确定,直到有人打开盒子观测它。

总之,薛定谔的意思就是恶心一下哥本哈根学派的那几位。看吧,如果你们将波函数解释成粒子的几率波的话,就会导致一个既死又活的猫的荒谬结论。后来霍金听说这个思想实验的时候,气的哼哼的。他说:“当我听说薛定谔的猫的时候,我就跑去拿枪,想一枪把猫打死!”猫怎么这么倒霉,猫找谁惹谁了?这说明,哪怕是受过专业训练的物理学家,在接受这种量子的不确定性观念的时候,仍然很艰难。因为这种东西太过离经叛道了。即便是薛定谔和爱因斯坦这种大家,也免不了在这方面想不开啊。波函数可是薛定谔先搞出来的。现在薛定谔对波函数塌缩不理解。也难怪有后人评价,薛定谔不懂薛定谔方程。

不管怎么说啊,两派意见谁也说服不了对方。不过哥本哈根学派的朋友圈越来越大了,粉丝越来越多。这是不争的事实。不过很多事情并没有实验的检验,都还是在理论上的探讨。毕竟这玩意儿设计实验非常的麻烦。当时也没有技术手段来搞。况且大家的精力也都不在这事儿上。德国的大学里面,大约四分之一的物理学教授们都跑了。纳粹统治之下,2600位学者离开了德国。不过人家纳粹不在乎,跑就跑了。人家自诩是优秀人种,不跟劣等民族为伍。

海森堡的压力不小啊。他被称为白皮儿的犹太人。都说他离犹太人的物理学太近了。纳粹就盯上海森堡了。因为那帮子犹太科学家都跑路了。他还在教授犹太物理学。纳粹能不盯上他嘛!海森堡都没注意这个。他本来就是正宗的德国人,人家又没啥把柄抓在纳粹手里。而且人家现在脑子也都不在这方面。为啥呢?海森堡谈恋爱了,女朋友比他小14岁。也是莱比锡大学的学生,上基本属于师生恋。海森堡正沉浸在幸福之中呢。

海森堡正幸福着他的幸福呢,祸从天降啊。怎么的呢?他被纳粹给抓起来了。纳粹盯了他好久了嘛!还是希姆莱亲自审问他。那能审问出啥来啊,他不过就是个大学教授啊。而且他还是标准的德国好青年。最后还是海森堡母亲,七拐八弯的找关系,跟希姆莱套近乎疏通。希姆莱才放人。

放出来之后,还要监视居住。党卫军还是不放心啊。海森堡别提多闹心了。1937年,海森堡结婚了。有喜事儿总要高兴高兴啊,第二年,1938年。他多了一对双胞胎孩子。泡利写信恭喜他,他还挺高兴。

海森堡高兴啊,有人可高兴不起来了。谁啊?朗道。朗道1931年回了苏联,他要为祖国服务啊。开始他在列宁格勒,后来跟领导不和。他那个脾气得罪人就不会少。后来到了乌克兰的哈尔科夫。在哈尔科夫时,朗道开始计划写一部理论物理学的巨著。这部主要由朗道来构思,由郎道和他的学生里弗席兹合作完成的多卷本《理论物理学教程》。这本书是各大部头著作。那是包罗万象,那时候知道的物理学知识,这里边都有。里弗席兹动笔,朗道构思,两个人配合。可是没多久,朗道又和领导吵了一架,一甩手离开了哈尔科夫来到了莫斯科。莫斯科有师兄卡皮查罩着呢,人家是物理研究所所长。朗道的号召力足够啊,一帮子学生助手的全来了莫斯科。这一时期啊,斯大林的大清洗就越来越厉害。搞的苏联人人自危啊。朗道那么聪明的人,也感觉到形势不妙啊。他的应对之策是给自己刷声望。要搞点儿大影响出来。前不久,查德威克刚刚发现了中子。这东西是个有趣的东西。朗道立刻就想到,能不能存在一个完全由中子构成的天体呢?这东西不就是个超大的原子核嘛!原子核就是质子和中子构成的。假设全是中子,这不就跟原子核差不多嘛。多多少少也会有质子存在,因为中子和质子是可以相互转化的。朗道管这种天体叫做中子核。他洋洋洒洒的写了一大篇,寄给了玻尔。请玻尔推荐给《自然》杂志。先前钱德拉赛卡已经提出了钱德拉赛卡极限,只要是超过这个极限,那么就没有任何原子能够扛住这种巨大的引力。必定要塌缩成为中子星。那时候奥本海默也在研究中子星。这个问题大家关注。算是个小热门。而且这事儿老百姓也能听个大概。传播力也强啊。那时候苏联执行书信检查。朗道写信自然是七拐八弯而的。有话不能直说啊。他希望玻尔给他把事儿吹大。玻尔一看信就明白了。立刻写了一封回信,那把朗道夸得跟朵花儿似的。苏联消息报也很卖力气,就把玻尔的信和朗道的成就给大篇幅报道出来了。朗道的名气一下子就大起来了。朗道是个物理学全才,各个方面都有建树。他最后悔的是自己晚出生了几年。闹的量子力学的创立期他没赶上。要是他赶上,那就没别人的份儿了。卡皮查是领导啊,也显得很有面子。毕竟自己手下的科学家干得不错嘛。哪知道到了第二年的五一节前夕,4月28号。一辆黑色轿车停在了朗道家门口。朗道被苏联肃反人员抓走了……


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