薛定谔的猫到底是什么意思?

薛定谔设计了这么一个思想实验:

这事还得从索尔维说起。索尔维是一个比利时企业家,他发明了氨碱法制纯碱,后来发现他并不是第一个发明的,不过他是第一个使得氨碱法制纯碱工业化的,所以氨碱法又叫做索尔维法,后来一个中国人改进了索尔维的方法,大大提高了效率,这个中国人就是侯德榜。

索尔维发财之后,想到了一个人,没错,他想到的是诺贝尔,当时诺贝尔奖如日中天,盖过了古老的科普利奖。于是索尔维也设置了一个索尔维奖,不过索尔维奖比较小气,不是钱少,而是限定了获奖科学家的语言,得说法语或者荷兰语,而且还得有三名科学家推荐,推荐的科学家中必须还得有两个比利时人,所以索尔维奖远没有诺贝尔奖影响大。

设科学奖玩不过诺贝尔,索尔维只好另辟蹊径,干脆组织武林大会,不对,是科学大会,邀请世界上最著名的科学家来研讨最前端的科学问题。

索尔维首届大会在1911年召开。这时候的索尔维大会用诗人毛润芝的话来说就是个神仙会,白天聊聊天,晚上喝喝酒,不过这怎么能过瘾呢,于是第五届索尔维会议主题就定为了“光子和电子”。

好戏开场了。

上帝的骰子

先上图吧。

这可能是有史以来人类智慧的最高代表。牛顿爵爷别不服气,谁叫你那时候成天不是怼这个就是灭那个,你虽然高于其中的任何一个人,可是好汉也怕人多不是。

值得一提的是小王子德布罗意,本来这位不羁少年准备去参加历史学研讨会,听说这么多大佬参加,预感到有大事发生,就退了火车票来参加大会。

不羁少年德布罗意,和祖师爷普朗克比起来,这一届颜值不行啊

玻尔却没有这个觉悟,以为这还是一次胜利的大会,团结的大会。玻尔这么想也有道理,经过这么多年的艰苦奋斗,在普朗克和爱因斯坦还有他本人的努力下,三剑客带领诸位英雄少年终于怼翻了爵爷,是可以总结一下了。

大会一开始,小王子德布罗意就站了出来,声明自己并不支持量子力学的哥本哈根解释,没等小王子说完,就被泡利怼了回去。

泡利此人的立场颇值得玩味,他的教父是鼎鼎大名的马赫,而爱因斯坦最尊重的就是马赫,曾称马赫为老师,所以泡利也以爱因斯坦继承人自居,也不知道他们这辈儿是怎么算的。泡利的老师就是桃李满天下的索末菲,此公的学生大部分都获得了诺奖,就他本人没有获得,他曾经意图修补玻尔的原子模型,而且成绩斐然,不过玻尔后来彻底放弃了这个模型,所以从师承来说泡利是量子力学的大将,不过内心深处更倾慕爱因斯坦。

这边两人争论未完,那边海森堡联手波恩又开始和薛定谔吵了起来。

海森堡和玻尔关系非常,二人情同父子,自然是无条件支持玻尔。

波恩则是捡漏大师,当初海森堡提出矩阵方程后,得意洋洋,以为自己开创了不但突破了物理学,还开创了数学的新天地,说不定可以超越玻尔,和牛顿爵爷齐名,波恩看到论文当即指出矩阵这个数学方法早就有了,并且和约尔当合作重新整理了矩阵方程,海森堡也只能无可奈何地把矩阵力学的发明权与波恩约尔当分享。

薛定谔提出波动方程后,波恩用哥本哈根的观点解释波动方程,就让薛定谔非常不爽,现在波恩旧事重提,薛定谔勃然大怒,老子自己的方程自己不懂吗?用你来解释,再说你们的解释纯粹胡扯,老子还是相信爱因斯坦。

风流倜傥薛定谔?

薛定谔一生放荡不羁,号称“物理界的段正淳”,一生情人无数,关键是情人之间还能和平相处,物理界的段王爷名不虚传。传说在写波动方程之时,就有一位神秘情人陪在身边,这才文思泉涌,创造了不亚于爱神奇迹年的成就。

大家吵的不可开交,有两个人却一直沉默。一个是玻尔,一个是爱因斯坦。

玻尔已经感觉到了这已经不再是一个团结的大会,可是爱因斯坦还没有发话,他自然也不能说话。

咱们来做一个实验吧。爱因斯坦终于发言了,玻尔听闻耸然一惊,什么?爱因斯坦你做实验,谁不知道你四体不勤五谷不分,老婆要是不在身边,你连袜子都找不着,你居然肯屈尊降贵做实验,谁信啊?

呵呵,我说的是思想实验,爱因斯坦微微一笑,说出了著名的“爱因斯坦狭缝实验”。

爱因斯坦设置的狭缝实验和双缝实验类似,不过只有一个缝隙,对着挡板上的缝隙发射一个粒子,在穿越狭缝时,挡板会给粒子朝上或者朝下的动量,根据动量守恒定理,挡板受到的冲量就是粒子获得的动量,只要测量挡板的冲量就可以得到粒子的动量,那么就可以得到粒子的动量,而狭缝的宽度是可以测量的,所以,不确定性原理不正确。

爱因斯坦说罢,哈哈一笑,看了看玻尔,玻尔苦笑一声,你说爱因斯坦啊爱因斯坦,你也算是量子论的创始人,这么拆台有意思吗?再说咱俩什么关系,连诺贝尔奖都一年得,有什么话不会私下说吗?

不过既然人家出招了,也得接着啊。玻尔沉吟良久,回应道,挡板也是量子系统的一部分,所以无法精确测量挡板的冲量,所以也就无法得到粒子的动量,因此必须遵守不确定性原理。

爱神的笑容慢慢凝固,冲口而出“上帝不掷骰子”,其实这才是爱神怼玻尔的真正原因,作为量子论的创始人,爱因斯坦并非反对量子力学,他只是不满玻尔的哥本哈根解释,爱神从根本上来说,还是承袭自牛顿的决定论者,而玻尔的哥本哈根解释则让决定论无处容身,和爱神的世界观不符。

“爱因斯坦,不要教上帝怎么做?”玻尔也生气了,明明自己见招拆招,已经赢了,可爱因斯坦居然掀了棋盘,这算什么人啊?

第五届索尔维会议就这样结束了,不过玻尔并没有胜利的喜悦,因为他知道爱因斯坦并非易与之辈,下一届会议一定又是一场血雨腥风。

三年后,爱神卷土重来,这次爱因斯坦没有废话,上来就亮出了光箱实验,其实就是狭缝实验的升级版。

光箱实验

假设有一个充满光子的箱子,箱子上有一个小孔,箱子内部的时钟可以控制一个快门的开启,快门开启一次只能允许一个光子通过,箱子的重量可以精确测量,这样一个光子飞出去之后,根据质能方程,就可以根据损失的质量测量出其能量,而且由于快门开关是一个常数,这样就同时得到了光子的时间和能量,测不准原理可就失效了。

这一夜,玻尔辗转反侧,夜不能寐,如果不能破解爱因斯坦的思想实验,那么量子学派就土崩瓦解了。

第二天,看到玻尔的星星白发,爱神也不禁唏嘘,看来把老朋友逼惨了,早就听说中国有一个故事叫伍子胥一夜白头,看来是真的,中国人真牛啊。

玻尔虽然面容憔悴,却精神抖擞地站在了爱因斯坦面前,玻尔指出,要想精确测量箱子的重量,应该用一个弹簧秤,这样箱子重量的变化,就会造成位置的变化,就可以根据弹簧长度的变化测量出来,但是,根据广义相对论,位置在引力场中的变化会引起时间的延长,这样说来,两者还是无法精确测量。

爱神一声大叫,吐血斗升,“你这是“乾坤大挪移”?”爱因斯坦说什么也没有想到,玻尔居然用广义相对论来反对他自己,“不,是“以彼之道还施彼身”,还请爱兄指教”,玻尔抹了抹头上的冷汗,微微笑道,泡利扶起爱神,指着玻尔叫道:“你居然使用东方邪术。”“不,这不叫邪术,这是东方智慧。”海森堡站在玻尔身后说道。

“好,好,你再等我三年。”爱神推开泡利,踉跄着向门外走去,夕阳把爱神的影子拉得很长,显得那么落寞。

量子幽灵

这三年来,玻尔枕戈待旦,厉兵秣马,不敢有丝毫松懈,爱神虽然反对自己的理论,不过也多亏了爱神的争论,量子力学才完善起来,第七届大会上,爱因斯坦又会拿出什么新花样呢?

世事难料,这三年间,希魔出世,爱神被迫流落江湖,竟然未能出席索尔维会议,实为一大憾事。不过爱神也并没有闲着,他已经明白,他接连两次铩羽而归,关键是人单势孤。

小王子虽然支持自己,无奈年少,泡利立场不明,薛定谔虽然不满玻尔,也没有明确支持自己,再看看玻尔这边,海森堡简直就是亲儿子,还有波恩个老狐狸,要想战胜玻尔,必须招兵买马。

1935年,爱因斯坦带着两个小弟卷土重来,这两个小弟是波多尔斯基和罗森,他们一同提出了EPR佯谬,EPR就是他们三人姓氏的首字母,E就是爱因斯坦。

EPR佯谬其实就是量子纠缠,主要针对的还是测不准原理。如果把一个粒子分成两块,一块为A,一块为B,他们就开始运动,过一段时间,测量A的位置,根据测不准原理,是不能测得其动量的,但是我们可以测B的动量,根据动量守恒定理,就可以知道A的动量了,那么这么说岂不是同时知道了A的动量和位置了。

说通俗点吧,假设爱因斯坦有一双手套,一个寄给了一万光年之外玻尔,一个自己留着,在玻尔打开快递的同时,玻尔看到了一只左手套,那么玻尔就立即知道了爱神手中的是右手套,就是说玻尔在一瞬间就知道了一万光年之外的信息,这是不可能的,因为光速不可超越。

泡利第一个跳了出来,这次终于有了报效偶像的机会了,泡利要求海森堡提出解释,测不准原理就是海森堡提出的,他不解释谁解释,海森堡沉吟良久,写了一篇草稿,想了想,扔进了废纸篓。

薛定谔哈哈大笑,早在提出波动方程之时,爱因斯坦就称他为“真正的天才”,两人颇有惺惺相惜之感,再说了,这些年来,也受够了波恩的窝囊气,天天在耳朵边嘟囔什么概率波,好像自己的方程是他写出来一样。

薛定谔表示爱因斯坦说的有道理,不过这还不能解薛定谔的心头之恨,干脆火上浇油,扔出一只不死不活的猫来恶心量子学派,这只猫就是薛定谔送给爱因斯坦的投名状。

“薛定谔的猫”假设了这样一种情况:将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,镭的衰变存在几率,放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死和活的叠加状态。

容器中的猫处于死和活的叠加态,要想知道猫是死还是活,观察者必须去看一眼,这一眼就造成了波函数的塌陷,猫就不再处于叠加态,成了或死或活,决定了猫的死活,就是说观察者的意识决定了猫的生死。能以意识决定生命的只有上帝,难道说我们每个人都是上帝?

薛定谔扔出来的这只猫非常高明,以前玻尔一直强调量子力学说的是微观世界,而爱神又有点老眼昏花,老用宏观角度去看微观,次次都被玻尔死里逃生,而这只猫却是宏观的,而控制猫的生死的方法确实是微观的,这样就把宏观和微观结合起来了。

于是,薛定谔就成了最大的赢家,他的不死不活的猫也成为物理学四大神兽之一。

对于薛定谔猫目前最流行的解释是多世界假说,就是说在我们观察的一瞬间,世界分裂为两个,一个世界里猫是死的,一个世界里猫是活的,这个解释却更加恐怖,因为那一瞬间我们创造了一个世界,能创造世界的只有上帝,我们每个人居然都是上帝。

薛定谔的猫就成了目前现代物理学最大的梦魇。

但是对于直男癌患者来说,这却是好消息,因为在猜妹子心情的时候,可以用意识再创造一个妹子出来,一个妹子温婉可人,一个妹子娇蛮可爱,当然如果审美情趣不一般的话,还可以创造出一个野蛮女友,完全可以凭借意识给自己开后宫了,同样,对于妹子来说,也可以把直男癌晚期患者的男友变成前任,凭借意识分裂出一个暖男,不过这么多妹子暖男,我们并不能同时感知,因为多世界之间并不能信息联通,面对的还是那是摸不透的那个妹子和不解风情的木头。

眼瞅着量子学派分崩离析,作为掌门人的玻尔心如汤煮,赶紧回应,再不回应,量子学派就集体追随爱因斯坦了。

玻尔说“测量的动作会造成不可避免的物理干扰”,这是量子力学的老论调了,还是看戏剧看球赛那一套。

可是这此说不通啊,因为爱因斯坦做的是思想实验,根本就没有干扰的问题,就好像我们在电视前看足球比赛直播,你再怎么喊,就算砸了你家电视,也不会影响现场效果的。

玻尔琢磨了一下,继续说,被测量的微观粒子和测量仪器构成一个整体,测量粒子A的位置的仪器可以测得A的位置,从而知道B的位置,但是因为不能测量A的动量,所以也就不能测得B的动量。

这个说法有些道理,但是也并没有说服爱因斯坦。爱神和玻尔争论了后半生,谁也没说服谁,估计在天堂俩人还在争论不休。之后各路高手提出了很多解释,例如玻姆隐变量、贝尔不等式等,还有多宇宙假说,但是都没有很好的解释清楚。

但是结果到底是谁正确呢?爱因斯坦这次还真错了。

物理学家嘛,说不清楚,那就做实验,又不是那群死傲娇的数学家,光动口不动手,实验证明这种幽灵般的纠缠是存在的,目前最著名的就是墨子号量子卫星的量子纠缠实验。

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