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薛定谔的猫有什么现实意义?

2020-05-12  好人_haoren

薛定谔的猫一定的科学界最有名的科普故事。这只猫可以说是让“量子力学”名声大噪、家喻户晓的第一功臣。

薛定谔的猫是什么?

“薛定谔的猫”是由奥地利著名物理学家薛定谔提出的一个著名思想实验,描述了如何将一只活泼可爱的猫变成“生死叠加”状态。

下面是具体的操作步骤:

将一只可爱猫咪装进一个有量子系统机关的毒气瓶的盒子里,然后密封至不可见。毒气瓶的开关由一个24小时半衰期的放射性原子控制。

在这24小时内,如果原子衰变了,放出α粒子就会触动开关,毒气瓶将被一个铁锤砸碎,那猫就必死无疑;但如果原子没有衰变,毒气瓶完好如初,猫也就不会死去。

由于原子具体何时衰变我们无法确定,那这段时间内盒子里的猫有可能还活着,也可能已经死了,但只有我们打开盒子才能确定猫的生死。

这就好比量子力学对“量子”不可测的描述,当我们没有观察时,量子可以处于一种矛盾的“叠加态”,而当我进行观察时量子从“叠加态”坍缩为唯一确定的经典态。

这种情况下,以哥本哈根学派的解释,可以认为盒子里这只猫正处在一种“生死叠加”状态,也就是即生即死的状态。

为什么要做这个实验?

1926年,薛定谔凭借其深厚的微积分功底,推导出了“薛定谔方程”,并成功运用它解释了氢原子结构,但作为数学大牛的薛定谔却无法解释薛定谔方程中波函数的物理意义。

我们知道,数学公式与物理公式最核心的区别就在于是否具有物理意义,如果没有具体的物理意义就称不上一个完整的理论。而后来德国物理学家马克思·玻恩给薛定谔方程做出了一个让人能够理解的诠释:

波函数描述的是一种概率波,只能计算在某个位置找到某个粒子的概率,观察测量只能预测某一结果的概率,却不能预测一定会得到什么结果。

玻恩的诠释是一种概率诠释,凭借这个诠释,玻恩获得了1954年诺贝尔物理学奖。

本来薛定谔应该感谢玻恩,奈何薛定谔是支持爱因斯坦的“决定论派”,而玻恩的概率诠释属于“概率论派”并成为了著名的“哥本哈根解释”,这让薛定谔很愤懑。

虽然爱因斯坦与薛定谔都曾对量子力学起到了极大的推动作用,但对于玻尔主导的“哥本哈根解释”一直持否定态度。但三次论战,爱因斯坦都败下阵来,无形中反而成就了量子力学的“哥本哈根解释”。

在1955年爱因斯坦去世之后,作为爱因斯坦的嫡系大将的薛定谔憋了一个大招,就是“薛定谔猫”的思想实验,继续向玻尔一派宣战。

薛定谔的本意是借这个思想实验,将量子态的不确定概念引入到宏观世界,让人们直观体验一下“概率”描述的不靠谱。

其实这个思想实验并不能证明什么?仅仅是再次发泄了薛定谔对于量子力学“哥本哈根解释”的不满,但他自己也知道提不出什么更好的解释。

围绕爱因斯坦与玻尔的量子论战,出现的一系列思想实验,无非是科学家们哲学立场的针锋相对,世界到底应该由什么来支配?是决定论,还是概率论?

这个哲学思考,至今也没有一个明确的答案。

简单了解下“哥本哈根解释”,为什么让爱因斯坦、薛定谔等人难以接受

1、玻恩的波函数概率解释:这个上面已简单说了。

2、海森堡的不确定原理:有一些成对物理量,它们不可能同时被精准测定,一个越确定另一个必定越不确定,此消彼长。

3、玻尔的互补原理:一些物理对象存在看似矛盾的多重属性,原则上不可能用同一种方法同时看见其多种属性,只能用不同是方法观察到它们不同的属性。

4、玻尔的对应原理:量子的各种规则虽然适用于微观尺度,但从规则中得出的结论不能违反宏观上的观察结果,而且宏观尺度上还是遵循经典物理学规则。也就是说,在大量子数极限的情况下,量子体系的运动趋向经典力学体系,量子物理定律和方程可以转化为经典物理定律及方程。

5、叠加态原理:如果A和B是一个粒子的两种状态,那么A+B也是这个粒子的第三种状态,并同时具有A\B的特征。

6、波函数坍缩:在一次测量与下一次测量之间,除了概率波函数以外,微观物体不存在,它只有各种可能的状态,只有进行了观察或测量,“可能”状态才坍缩为实际的“确定”状态。

看了是不是觉得头大,为了描述一个量子,竟然总结了这么多原理。对于物理学追求的简洁、统一来说,这无疑太多了。就像一个人说话,说了一大堆却无法总结出一个中心思想一样。

但这些结论却与实验观察结果完美匹配,又缺一不可。然而在爱因斯坦、薛定谔等人心中量子力学的“哥本哈根解释”是不完备的,绝不是量子力学的本质,但作为量子力学的正统解释,也没有人能给出比“哥本哈根学派”解释的更好。

“薛定谔的猫”催生“薛定谔猫态”科学实验。

“薛定谔的猫”实质可以看成是一个科学家的赌气或玩笑,但它却开启了科学家们把微观世界的量子特性引入宏观世界来的实验探索。

2005年美国科学家就曾宣布成功让6个铍离子实现了自旋方向完全相反的宏观量子叠加态,戏称“薛定谔猫态”。

自此这样的实验在世界各地大量的进行着,不过目前结果是所有的实验都无法持续,也就是无法让量子叠加态持续出现在宏观世界里。

但如果哪天真能做到,薛定谔的玩笑可就开大了,说不定我们还真能“生死叠加,不死不灭”呢?呵呵!

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