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薛定谔的猫和埃弗雷特的多世界理论

(2007-07-14 19:33:05) 下一个

先简单介绍一下薛定谔。

Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger 1887年出生于维也纳,但是祖上来自于德国的巴伐利亚。这孩子自小天资过人,兴趣非常广泛。早年学的是化学,后来又学过多年的绘画和植物学。同时也对文学着迷,深深为德国诗歌的美所陶醉。

Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger他对物理学的兴趣开始于他在维也纳大学求学的时候,而他对理论物理学的最辉煌的贡献,是在苏黎世大学作出的。1926年,在短短的几个月时间里,他发表了一系列论文,建立了量子力学中著名的薛定谔波方程。因为这一贡献,他在1933年与英国的笛拉克 (Paul Adrien Maurice Dirac) 分享了诺贝尔奖。两年之后,他在和爱因斯坦的讨论中提出“薛定谔的猫“理想实验。

其实他对生物学也有不小的贡献,只不过被他在物理学中的卓越成就所掩盖罢了。1944年,他把他在都柏林三一学院高等研究所的讲义汇总整理,出了一本叫《生命是什么》的书,首次提出遗传物质就是生物体内的某个分子, 即所谓“非周期性晶体“ (aperiodic crystal)。多少受这本书的启发,华森 (James Watson) 和克立克 (Francis Crick) 在10年以后发现遗传物-DNA的双螺旋结构。

和很多杰出科学家(例如同时代的爱因斯坦,朗之万,以及现在的杨振宁:)一样,老薛好色。他同时公开和两个女人,妻子 (Anne) 和情人(Hilde March, 助手 Arthur March 的老婆) 同居,这种惊世骇俗的行为在当时很多人眼里是不能接受的。50年代在都柏林期间又和自己的学生有绯闻,还使两个爱尔兰妇女怀了他的种。他的男女关系实在太乱,他和他的几个情妇的那些事他老婆都知道。他是他助手的老婆的情人,而他老婆又是他朋友的情人。唉,不多说了。如果他的私生活降低了他在你心中的位置,那可不是我的初衷:)

1961年,伟大的老薛73岁的时候死于维也纳。死后月球上的一个大陷坑以他的名字命名,也算是不朽了。

言归正传。

微观世界里有很多常人难以理解的现象,比方说一个原子或亚原子的粒子,可以在不同的地方同时出现,这些都归纳在以上提到的量子力学中著名的薛定谔方程里。如果有人问你你昨天午夜12点在哪里,你如果回答说你在中国也在美国,人家非以为你有神经病不可。可是你如果问电子等微观粒子类似的问题,这样的回答是很正常的。宏观世界也是由微观粒子构成的,按理说这种叠加态(superposition)现象也应该在宏观世界里出现,就象有名的“薛定谔的猫“理想实验表明的那样 (下图):

Schrodinger's cat

一只猫和一个毒气罐被关在一个笼子里,除非把笼子打开,外面的人无法观察到笼子里面的状况。笼子外面有个放射性源,通过一个盖革计数器控制笼子里面毒气罐的开关。放射性源里的原子核一旦衰变,就会触发盖革计数器,导致笼子里面毒气罐的开关打开,释放足够把猫杀死的毒气。

很明显,这个实验里有以下的对等关系:

不衰变=>活猫
衰变=>死猫

前面说过,原子或亚原子的粒子存在叠加态,所以上述放射性源里的原子核可以同时处于衰变和不衰变状态,由此推论,笼子里面薛定谔的猫也同时处在亦生亦死的状态!

妈呀,老薛这只猫成了脚踏阴阳两界的怪物了!

可是我们知道,一旦观察者把笼子打开,他能发现的猫的状态只能有一种-非生即死。

关于这个问题,著名的瑞典物理学家尼尔斯波尔(Niels Bohr) 和德国的海森堡(Werner Heisenberg,发现著名的测不准原理)提出哥本哈根诠释(Copenhagen Interpretation):宏观世界也存在叠加态,只不过当观察者试图观察的时候,波函数立刻坍缩(collapse),只剩下一种状态。 这就好比说,你没有注意我的时候,我有三张脸:哭脸,笑脸,二皮脸。可是当你看我的时候,我就剩一张脸,或哭,或笑,或二皮。 不过这一解释不够完整,就是对“观察“和“坍缩“缺乏精确的数学描述,显得好象太武断。
还有,哥本哈根诠释给观察者特殊的地位,并没有把它看做量子系统的一部分。

1957年,普林斯顿大学刚刚拿到博士学位的年轻的物理学家Hugh Everett 把它学位论文的主要部分正式发表,第一次提出多世界理论 (Many-world Theory),作为宏观叠加态的另一种解释。因为这个理论太玄了,论文发表了好几年基本上还无人问津。极度失望之下,他离开学术界,在国防部找了份保密性很强的技术性工作,后来又开了自己的公司。虽然在后来的岗位上也多有建树,生意做得也很成功,可是不被理论物理学界接受的事实总让他耿耿于怀。他导师John Wheeler 是个物理大家,是玻尔的学生,对他也不错。有一次Wheeler把他带到哥本哈根见师祖玻尔,老头子楞是不给面子,根本不给他讨论多世界理论的机会。Everett后来也算是腰缠万贯,可是心里还是觉得不得志,1982年,在51岁上就得心脏病,猝然离世。

多世界理论认为,宏观世界的叠加态其实并不因为观察者的出现而消失。每个状态都存在,只是各自遁入不同的世界。同时观察者也被分开,每个分身跟随着被观察者的一个状态进入同一世界。可以想象,在不同的世界里,不同的分身观察到被观察者的一种状态。可是由于不同的世界之间不能交流,观察者只能意识到被观察者的一种存在状态。多世界理论并不给观察者特殊的地位,而是把观察者本身作为量子系统的一部分。说白了,他只是个自动记录实验结果的装置。

举个扑克牌的例子 (下图):

MWI cards

把一张扑克牌竖起,让它自然倒下,结果会有两种可能性:或者正面朝上,或者反面朝上。每做一次,你看到的结果只是两种可能性中的一种-不是正面朝上,就是正面朝下。可是Everett说,其实两种结果-正面朝上和朝下都同时发生了,只不过它们各自存在于不同的,相互不能交流的世界,所以你只看到两种可能性中的一种。

同样如果你让一张扑克牌连续倒下四次,会有2x2x2x2=16种结果。其中正面两次朝上,两次朝下的可能性最大,而四次正面都朝是或者朝下的可能性最小。同样,这样倒下四次,我们看到的只是这16种可能性中的一种。可是根据Everett的理论,这16种结果都同时发生了,只是它们各自存在于不同世界里。

嘿嘿,反正如果量子理论是对的,宏观世界叠加态的问题就应该有个合理的解释。多世界理论听起来是很玄,可是哥本哈根解释也不能令人信服。看来爱因斯坦对量子理论的质疑是有道理的,它起码不是个完整的学说。可是从牛顿力学,到爱因斯坦相对论,到量子力学,再到弦学说,在大统一理论建立之前,又有哪个理论是完整的,能解释一切的呢?

*图片出自2007年7月5日刊的Nature杂志和互联网

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阅读 ()评论 (8)
评论
艾丽思笔记 回复 悄悄话 嘿嘿,这张照片是挺好的,"天真而腼腆",一语中的,绝对跟鸟儿有一拼,不过嘛,他还没有鸟儿帅呀,哈哈:))

对了,我觉得有些郁闷的是理论上说得通的,未必真能发生,比如相对论的一些东西,光想着美多没劲啊:((
thunder_bird 回复 悄悄话 对了,我喜欢老薛的这样照片,笑得天真又有些腼腆,跟本鸟的笑有得一拼,哈哈!
thunder_bird 回复 悄悄话 谢谢小艾:)

Everett 的 MWI (Many-world Interpretation)其实是科幻小说的好素材,比逆向时间旅行更有根据。很多科学家相信逆向时间旅行是不可能实现的,MWI却被越来越多的科学家接受,起码和 Copenhagen Interpretation 有相同的地位。有兴趣的可以到今年7月5日的 Nature 读相关的评论文章。
艾丽思笔记 回复 悄悄话 先鼓励一下,大鸟儿又写出我不懂的东西来了:))

真的很玄奥神奇,更奇怪的是,我虽然不懂,但是相信.人可是相信自己所不懂的东西吧?

多世界理论,在我看是更象一种哲学观,好玩的是观察者和多世界之间的关系.

扑克牌我不会打,但这句话"可是Everett说,其实两种结果-正面朝上和朝下都同时发生了,只不过它们各自存在于不同的,相互不能交流的世界,所以你只看到两种可能性中的一种。"---我似乎能够感受到这两种可能,因为有时我体会过这两个可能,尽管无法解释.

每个状态,各自遁入不同的世界---我非常喜欢这个感觉,从这点来说,所谓的真实和虚拟都是相互有交叉点的,甚至可以彼此取代.

嘿,这种感觉很棒.

希望鸟儿继续科普:))
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