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薛定谔的猫

(2019-04-26 04:10:23) 下一个

薛定谔不是薛涛、薛仁贵和薛宝钗的本家,其实他不是中国人,也不是因为偶然机会和中国人同姓。他是奥地利的物理学家,他和爱因斯坦一样觉得量子力学不完备,和哥本哈根学派争论不休。爱因斯坦不相信上帝会掷骰子,坚决反对波尔的量子理论,不惜同波尔闹翻。波尔说,“上帝不仅掷骰子,而且把它抛到我们看不到的地方。”世上的事情就是这么奇怪,正是爱因斯坦提出的光量子说,薛定谔提出的薛定谔方程帮助奠定发展了量子力学。

量子力学是物理学的一个分支,研究原子、电子等等微观粒子的运动规律。根据量子力学理论,量子的位置是一个概率,它既可以在这里,也可以在那里。这个位置一旦测定,这个概率就坍塌,变成绝对,这时这个量子只出现在人观测到它的地方。与之相类似的还有单个量子过双隙的奇怪现象,一个量子会从双隙同时穿过,并且还自我干涉成波像。量子常常处于几种互相纠缠、互相叠加的状态。但一经观测,那个量子就变成粒子,只从双隙的其中一个缝隙穿过,变成粒子像。在我们测量之前,一个电子既可以向上旋转,也可以向下旋转。但当事件坍塌的时候,只能处于一种状态。

很明显量子理论违背常识,似是而非,自相矛盾。对这样的理论爱因斯坦当然不相信,那个被称为不懂薛定谔方程的薛定谔也不相信。为了证明量子理论的荒谬性,薛定谔设想了一个试验:把一只可怜的小猫关在一个盒子里,它可以是白猫、黑猫,或者一只眼睛蓝色一只眼睛绿色的猫,只要会抓老鼠就行。盒子里有个烧瓶装着剧毒气体,烧瓶上面有个榔头,榔头由一个原子的裂变状况控制。如果原子裂变了,那么榔头就会砸破烧瓶,释放毒气,毒死可怜的猫。假如原子没裂变,猫就不会死。当然这里假设那些装置都能正常工作。

假如你家里养了一只猫,肯定不愿意拿去做实验。要是猫知道自己参与这项实验,有可能一命呜呼,肯定会想方设法逃走,所以箱子一定要封好,既不要让外面的人看见,毒气也不能漏出来,还要透气,要不然还没放出毒气猫就憋死了。

原子裂变的概率为50%。从理论上来讲,猫死活的概率也是50%。但根据量子理论,薛定谔的猫可以同时处在不同的状态,它既是死的又活的,或既不死也不活,而是两种状态的叠加。在打开盒子观察时,这种叠加状态就退化为两种清晰状态中的一种,也只能处于其中的一种:要么死、要么活。人的观察使事件坍塌,我们绝对不能观察到猫既是死的又是活的。

当然不打开箱子我们也可能知道猫是死还是活的,只要摇动一下箱子,听听有没有猫的叫声或走动的声音。要是活着应该会听到声音,除非你用了非常笨重的隔音的箱子。

爱因斯坦认为,在我们打开箱子之前,猫要不是死的,要不是活的,和我们有没有打开没有关系,打开只是证明了到底是死是活。

根据我们的常识我们会赞同爱因斯坦的观点。这只猫要不死要不活,不可能同时死同时活。这样一类比,量子力学的微观理论在宏观世界就成了悖论。薛定谔设想这个实验就是想证明不确定和叠加的荒谬性。

事实已经证明爱因斯坦和薛定谔错了,猫既死又活,量子理论是对的,目前已被物理界广泛接受,成了现代物理的基础。

显然我们的知觉影响了微观世界的运行。没有人的参与,没有我们的感知,外部世界并不存在,至少并不确定。观察者决定了观察结果,这和纯粹的唯心论不谋而合,早在19世纪哲学家伯克利就说了现实取决于人的观察。

但我还是搞不清楚猫既死又活的状态会不会存在,我现在就处于既相信又怀疑的状态。猫有没有意识?知不知道自己是死是活?我们和猫都是宇宙的一部分,假如猫不知道,是不是有可能我们也不知道自己是死是活?不知道自己是身在此岸还是彼岸?或者我们也是既死又活?也许别的生物观察我们时我们也是生和死的叠加,同时处于两种状态?仿佛我们变成了薛定谔的猫。

在宏观层面上怎么理解量子理论和薛定谔的猫?有人用怀孕来类比,做爱之后可能怀孕也可能没怀孕。但是几周之后一旦做了检测,结果不是有就是没有,是确定的,不再是个概率。这个类比不妥,完全可以用爱因斯坦的解释来解释。还有人说它如同我们又悲又喜,或又爱又恨的情感,但情感不是物质。更恰当的比喻是如一个同性恋者,从人体器官上判断是个男人,但性别上是个女人,就是说他同时是个男人也是个女人,假如我们看到他和一个同性恋人做爱,他就坍塌成一个女人。

根据量子理论,做实验时猫有没有在箱子里本身是否也是概率事件?此时我似乎听到一条薛定谔的狗在叫。显然它是活的,同时一定是一条巴普洛夫的狗。

对于这个实验我还有一个疑问,假如毒气释放出来了,要是上帝不想让猫死,猫会死吗?

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评论
LinMu 回复 悄悄话 回复 '碧蓝天' 的评论 : 理工男应该知道点薛定谔的猫~~
碧蓝天 回复 悄悄话 理工男还知道这么多,纯粹想气死文科生?
你知道太多了!
呵呵^_^

呵呵^_^
LinMu 回复 悄悄话 回复 'gwangmsn' 的评论 : 现在看来是这样,当时迷惑了很多人
gwangmsn 回复 悄悄话 回复 'LinMu' 的评论 : 我的意思是比喻是错的硬把驴嘴塞到牛头上,因而他的比喻是无效的
LinMu 回复 悄悄话 回复 'J_man' 的评论 : 当我们说一个人有正能量时,这个能量是无法观测的
LinMu 回复 悄悄话 回复 'lilywanda' 的评论 : 这个太玄乎了,还有物理学家认为原子是有意识的
J_man 回复 悄悄话 意识是神经系统感知外界刺激并消化处理刺激的过程。-- J_man
所以,意识是消耗能量的过程(跑步也是个过程),不是能量。
lilywanda 回复 悄悄话 依“海牛”提到的观点,“看,观察”都是有能量的,可以影响量子的运动轨迹, 那么意识也有能量也是物质的一种形式吗?
LinMu 回复 悄悄话 回复 '海牛' 的评论 : 我觉得能量是以量子为单位一个量级一个量级地发出来的。
海牛 回复 悄悄话 把一滴水不断地分割下去,所能得到的最小的、仍然还能称为水的单位是 (水)分子。如果再继续分下去,就不再是水了,而是构成水分子的原子了。当然,原子还可以分成原子核和电子,等等。量子则是另一种分法的结果,是指把能量不断地分割所能得到的最小的能量单位。好像物理界已经公认,能量是以量子为单位一个颗粒一个颗粒地离散地发出来的。有一种比较通俗的说法,认为因为一个量子的能量实在是太微小了,任何一点点的外力,譬如哪怕是看它一眼 (观察一下),就立马改变了它的原来的状态。
LinMu 回复 悄悄话 回复 '喜清静' 的评论 : 歧视文科生,该当何罪~~
喜清静 回复 悄悄话 回复 'LinMu' 的评论 : 哈哈,这就对了。这么聪明的人当然应该是理工男。
J_man 回复 悄悄话 siverbug,about EU,check this:
youtubeDOTcom/watch?v=Uzw6s4nbTZA&t=651s
LinMu 回复 悄悄话 回复 'gwangmsn' 的评论 : 薛定谔在宏观上做类比想说明量子理论的荒谬
LinMu 回复 悄悄话 回复 'jw2009' 的评论 : 说明了物理世界的多样性和复杂性。相对论的数学表达又是那么简单而美丽
LinMu 回复 悄悄话 回复 'silverbug' 的评论 :人类对这个世界的认识将永远在不断发现、不断修正的路上。+1.物理学就是不断提出新的理论,做出新的预测,遇到新的挑战,提出更新的理论,产生新的突破。
建立终极统一理论,是一代又一代物理学家的梦想,至今还有物理学家想统一自然界中的四种基本相互作用。
gwangmsn 回复 悄悄话 回复 'jw2009' 的评论 : 其实这些都很扯,硬是要把微觀的量子和巨觀的猫址在一起是无意义的.叠加的状态只存在于量子世界.而猫根本没有生与死的叠加的状态
jw2009 回复 悄悄话 如果在薛定谔的盒子里加入一个记录装置,记录猫的生死状态,把结果联线到盒子外的磁带上。。

双缝实验告知:如果人们在开启盒子之前看一看磁带上的记录和不看这些记录,结果可能完全不一样。。

所以,物理世界的本质没人懂,很可能永远无法懂。。
silverbug 回复 悄悄话 回复 'LinMu' 的评论 :
BTW,我喜欢物理学家Freeman Dyson的讲座,解释得比较经典。 祝博主周末愉快!
silverbug 回复 悄悄话 回复 'J_man' 的评论 :
把量子理论的适用边界扩展到整个宇宙还是有不少人在做的,比如霍金。 你说的这个EU理论很小众啊,怎么网上几乎查不到多少内容。 引入“暗物质”的概念既然可以让现有的理论自洽,无妨先用着,没有不带ad hoc的物理学,人类对这个世界的认识将永远在不断发现、不断修正的路上。
LinMu 回复 悄悄话 回复 'J_man' 的评论 : 用最美的数学方程式来描述这个世界
LinMu 回复 悄悄话 回复 'lilywanda' 的评论 : 以为量子理论是万能的~~
LinMu 回复 悄悄话 回复 'cxyz' 的评论 : 是宇宙复杂还是你复杂~~
J_man 回复 悄悄话 统一是有内在需要的,不统一是很难受的。因为无论宏观还是微观,都是统一世界的一个部分,需要一个统一的理论来解释。这个解释也可以是搞明白为什么两者不同。
lilywanda 回复 悄悄话 “LinMu” “ J-Man” 的回答就解决了,量子力学 - 微观, 经典力学 - 宏观。为什么一定要找一个万能的理论解释一切?世界本身就是这样的,难不成在物理学里也找个上帝理论包揽所有? 还有人把量子现象引申到生物体,宗教等方面。
cxyz 回复 悄悄话 又谈物理学了,我太复杂,我需要看第二遍的:)
LinMu 回复 悄悄话 回复 'J_man' 的评论 : 很多物理学家接受暗物质假设,还因为它可以解释宇宙中的一些现象。这个宇宙确实很复杂,不断有物理学家提出新理论
LinMu 回复 悄悄话 回复 'lilywanda' 的评论 : 量子力学适用于微观世界,经典物理应用于宏观世界
J_man 回复 悄悄话 局限性是肯定的。微观尺度看不见,只能用仪器来探测,或将其撞碎,通过轨迹来研究到底是什么。错误就在于,有些人将看不见摸不着只能管窥若干性状的粒子规律,直接推导为掌管全宇宙的规律。
宏观尺度也一样,万有引力的方程对星系的旋转根本对不上号,所以就把“暗物质”的概念硬塞进来,才能自圆其说。有学说表示只需要改动引力方程,这样就不需要什么“暗物质”了。EU(Electric Universe theory)直接否定引力,用电磁力解释整个宇宙,星系中心不是黑洞,而是iron plasma 组成的‘甜面圈’。
lilywanda 回复 悄悄话 能不能这样解释,任何物理理论都有局限性,或者说客观规律作用的范围。量子力学作用于微观世界。就像万有引力适用于宏观天体。
LinMu 回复 悄悄话 回复 '囫囵' 的评论 : 我们的一生就是从不稳定状态向稳定状态逼近~~
LinMu 回复 悄悄话 回复 'silverbug' 的评论 : 相对论中运动的物体处于低速运动状态时就是传统的牛顿力学。要是经典物理成为量子理论的特殊状态,量子理论就很完备
LinMu 回复 悄悄话 回复 '大酱风度' 的评论 : 我的伯克利是你的贝克莱(George Berkeley)~~
囫囵 回复 悄悄话 我从来不同意这个猫理论,因为死亡是稳定态,而生存是不稳定态,从不稳定状态变为稳定状态后就变不回去了,这里面也不存在半生半死的中间状态。
silverbug 回复 悄悄话 “当你不看月亮的时候,月亮还在那里。” 其实这一点波尔也不会否认。 量子力学有它的适用范围,哥本哈根诠释虽然有局限,但至今依然是最好的解释。以我个人浅见,不管是经典物理范畴,还是量子范畴,deterministic or non-deterministic, 都是科学,“独立于观察以外的事实”属于形而上话题,不必深虑。
大酱风度 回复 悄悄话 当年被克莱有句名言: 存在就是被感知。这量子理论不就是证明这种唯心论是正确的吗
LinMu 回复 悄悄话 回复 'jw2009' 的评论 : 这是哲学问题,唯心论和唯物论争吵了几个世纪,在量子力学出现之前,似乎唯物论胜利了,现在又是公婆之间的论争。爱因斯坦的观点是机械决定论。在没有更好的理论出现之前,我们只能接受量子理论。而机械决定论无法描述量子的运动规律。
LinMu 回复 悄悄话 回复 '雪中梅' 的评论 : 脑洞打开~~
LinMu 回复 悄悄话 回复 'passerby2016' 的评论 : 现在物理学还无法描述个体微观物质的运动规律,只能知道它们的概率分布。知道了概率分布,我们就可以解释很多现象。当然有的物理学家并不满足,希望他们能找到新理论。
jw2009 回复 悄悄话 这场争论的焦点:究竟什么是‘实在’,有没有能独立于观察而存在的‘客观实在‘。

爱因斯坦认为‘客观实在‘是有的,当他不看月亮的时候,他相信月亮还在那里。。

哥本哈根学派认为,量子世界在被观察以前只是一个概率,由薛定谔的波动方程描述。只有当人们进行观察时,观察使得薛定谔的波动方程落实了(collapse the wave function). 即我们看到的结果原则上是由概率和观察共同决定的,不存在一个原则上与观察无关的客观实在。

或者换句话说,人类对‘实在’的描述将只能被界定在观察上。。用古希腊哲学家伯拉图的话说,我们能看到的永远只能是影子。。
雪中梅 回复 悄悄话 很高深的探讨,好难。欣赏和学习了。平安是福。
passerby2016 回复 悄悄话 回复 'passerby2016' 的评论 : 观察当然可以由仪器来做,结果还是需要人来解释。谁都知道猫只是用来解释量子理论
That is not the point. Is there a way to observe (by machine) a photon without interfering its behavior? Interpretation does not influence the result of the experiment.
LinMu 回复 悄悄话 回复 'passerby2016' 的评论 : 观察当然可以由仪器来做,结果还是需要人来解释。谁都知道猫只是用来解释量子理论
LinMu 回复 悄悄话 回复 'oldnash' 的评论 : 谢谢纠正
LinMu 回复 悄悄话 回复 '喜清静' 的评论 : 理工男
LinMu 回复 悄悄话 Gerard 't Hooft也认为量子理论是20世纪最伟大的物理发现,他只是对概率解释不太满意
LinMu 回复 悄悄话 回复 '来罘' 的评论 : 爱因斯坦晚年研究统一场论,现在一直还有物理学家想统一量子力学和相对论。霍金结合量子理论和广义相对论得出黑洞会有辐射
LinMu 回复 悄悄话 回复 '主流媒体' 的评论 : 只是不同的解释而已
LinMu 回复 悄悄话 回复 'ARooibosTea' 的评论 : 是,生死悬于一线。茶儿喜欢潜水?
LinMu 回复 悄悄话 回复 '碧蓝天' 的评论 : 薛定谔的猫命运比较悲惨~~
passerby2016 回复 悄悄话 作者是文科,是! Proof: 1. 薛定谔是奥地利人. 2. 观察 ^= 人的观察. 3. 量子理论是对的 ^= 猫既是死的又活的.
oldnash 回复 悄悄话 薛定谔是奥地利人,
喜清静 回复 悄悄话 一直以为诗人是文科教授,是吗?
J_man 回复 悄悄话 薛的猫论和“观察者决定了观察结果”的理论近年来引发很多讨论,越来越多的科学家站出来将之否定。
1,The Flaws of Quantum Mechanics | Full Interview | Gerard 't Hooft
2万 次观看
Winner of the nobel prize for physics, Gerard 't Hooft explains the challenges for Quantum Mechanics in the 21st century.

2,and search: the conference "Quantum Theory without Observers"
来罘 回复 悄悄话 大量科学假说向理论转化的实践告诉我们,悖论标识的是人类认知的边界,而非事实。感觉用薛定谔的猫来解释量子现象很象当年托勒密的地心说,既复杂又无法通过人类的理性批判,它更接近上帝之手。在不远的将来,应该会有一个加利略,站在爱因斯坦的肩膀上,给出一个更接近真理的假说。
主流媒体 回复 悄悄话 爱因斯坦当然是对的,客观事实只有一种,与观察者没有关系。

“这个位置一旦测定,这个概率就坍塌,变成绝对,这时这个量子只出现在人观测到它的地方。”

概率是对将来的描述,测定是对过去的描述,怎能混淆在一起。

薛定谔的猫很简单,对于将来概率发生,可能死,可能生,一旦发生成为过去,事实只有一种,死或生。
ARooibosTea 回复 悄悄话 建议让写”Diving Into” 作者Phillip Finch 来研究猫的生与死并存状态。
碧蓝天 回复 悄悄话 猫有九条命呢!
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