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薛定谔的猫说明了什么,理解它或许能让你超越爱因斯坦?

这个实验已经流传了几十年了,而量子力学早已今非昔比。当初薛定谔构建实验的关键点,包括爱因斯坦赞赏这个假设实验对量子力学提出的质疑,用现代的量子力学来看其实他们当初使劲都使错了地方。

下面我说说实验本身及关键点与目的,但我们不能停留在过去,所以我会给简单说一下现代的升级版量子力学,然后我们回过头分析两者间的问题所在,让你通过这篇文章超过爱因斯坦与薛定谔对于量子力学的部分认识,这是你赶超伟人的机会。

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争论的起因

如果说把量子力学分为已知和未知的两部分,那已知部分就是我们可以通过实验观察到的结果“量子纠缠”,“量子遂穿”,“不确定性原理”,而未知部分就是为什么会产生这些现象,爱因斯坦、波尔、薛定谔等大佬都想搞清楚背后的本质。

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经典物理与量子遂穿

如果说量子力学的现象是深渊里射出来的光,那么科学家想搞清楚的就是深渊里到底有什么,黑暗的世界是如何产生这些光的。而大佬们争论的原因就是因为它们对深渊各自做出了解释,然而他们的解释各不相同,于是就起了争执。

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争论的本质

这一切始于对微观粒子的测量,原子的结构并非我们所想的电子有自己的轨道,在轨道上运行。实际上,电子的运动轨迹就像一朵云,但是这不是我们所看到的,而是通过实验得到的。当我们想测量一个物体运行的轨迹时我们需要这个物体的两个量:速度与位置,由此我们才能判断它下一刻的位置,从而得到它的运行轨迹。

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氢原子(波函数)电子云呈现的分布

然而在实验测量的过程中科学家发现,电子的位置和速度根本无法测量,他们发现电子的速度和位置都是“规律的随机”,什么意思?就是它们是按概率分布的,但是在这些概率中具体是哪个概率却是随机的,无法形成一个有规律的结果,让我们无法推断出轨迹。      

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通俗的说通过无数次测量,我们把测量的情况都标注出来,会发现电子构成了一个性状,或者说一朵云,它会在这朵云中随机出现,但是具体在哪我们不知道,只有在我们测量的时候它才会给我们一个结果,变成一个点,好像在说:“看其实我是一个粒子,并不是一朵云,只是你们不懂我”。

波尔解释说:它是一个粒子,同时出现在云中的所有位置,当我们要测量它的时候它会随机选一个位置出现,告诉我们它在哪。

这个解释非常诡异,如果它是一个粒子,它又为什么会同时出现在那么多位置?难不成它会分身吗?

爱因斯坦说:它就是一个粒子,它不可能同时出现在云中的所有位置。在你测量之前它就是在那个位置,所以我们得到结果并非随机的,但具体它会出现在哪,我们暂时不清楚。

美国量子物理学家休·艾弗雷特说:它同时出现在云中的所有位置,当你去测量的时候,在这个宇宙中它出现在这里,在其他平行宇宙中,另外一个爱因斯坦或者波尔测得结果是在那里,无数个平行宇宙测得结果组合起来又会形成电子云。

还有十多种理论,这里不一一说了,反正公说公有理婆说婆有理。

几十年前的猫——不确定性

有了上面的争执便有了这个假想实验,薛定谔描述的是一只猫放在装有少量放射性物质的盒子里。当放射性物质衰变时,它会触发毒药瓶上的计数器,导致毒药瓶被破坏,从而杀死猫。

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原子是以“即将衰变”和“不会衰变”的组合状态开始的,而放射性物质的原子衰变受量子力学定律的支配。也就是说量子力学的定律决定了猫的生死,薛定谔把微观世界抽象的概念过渡成了现实问题。于是粒子到底是不是随机出现的微观态尺度和猫的生死这种宏观态尺度联系了起来。

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关于生命只有两种可能,非死即活,而在实验中的猫有了第三种状态,既死又活,因为它是一只代表“电子”状态的量子猫。波尔说电子即在那,也在那,所以薛定谔说:“如果波尔说的是对的,那么猫既是死的也是活的,如果你打开箱子想看看它到底是死是活,不好意思,结果是随机的,变成了要么死,要么活。”

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埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)是量子力学的奠基人之一,他构建了这个假想实验是用来嘲讽以波尔为首的“哥本哈根”学派对于量子状态的解释,即生死“叠加态”是一个荒谬的理论,与现实世界不符。

如果你仔细看,你会发现争论还存在着另外一个核心并非是电子的状态是否存在叠加态,而是打开箱子之前什么样和打开箱子之后什么样,打开箱子观看结果的这个过程叫做测量,而测量是人驱动的

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薛定谔为什么要用猫?是因为猫不具有人类的意识,所以实验中的猫不会因为自我意识驱动改变实验的结果,波尔认为因为人去测量驱动了量子状态随机的出现,这个现象叫做波函数坍缩,也就是说量子的“不确定性”是因为人的测量,所以量子力学中有一个“测不准原理”。

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爱因斯坦也认为“观察者”驱动了量子的改变是有问题的,并对薛定谔对的猫的假设表示支持,他说(原话): “波尔的解释被您的放射性原子+盖革计数器+毒药+猫的电荷系统最优雅地驳斥了。在一个盒子中,系统同时包含活着的猫和死了的猫。只有在物理学家在调查时,猫的状态才会创建一个结果?”

爱因斯坦的意思:(趣谈科学、科学美少男理解之后通俗翻译)

“薛定谔你这比喻太好了。

波尔,你确定你面前有个杯子吗?按你的话说杯子和世界的万物即存在又不存在,只有当你去看它的时候才知道它在不在,或者是只有当你去看它的时候,杯子决定出现不出现。

波尔,是不是当你要看的时候,上帝掷了下骰子,2点小,“显现为小,消失为大”,好吧!杯子出现吧!”

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新薛定谔的猫与破解办法——波粒二象性

“不确定性”原理的出现,使这只猫出现了,也导致了量子力学跟自由意识产生了关系,似乎有种要往哲学方向演变的苗头,并且出现了大量地摊文学。实际上,结果与测或不测其实并无关联,如果你理解这点你就已经超过了薛定谔和爱因斯坦在不确定性上对量子的理解。

什么是概率分布?问这个学校同学都考多少分,我们不能随便拿起一张试卷看80,然后就认为这个学校同学都考80分,我们应该随机抽取100份试卷,做一个分数段统计图,然后说100分占10%,60分占70%......

量子在我们不测量的时候,就像是全校的试卷分数都被遮住了,你不知道随意抽出一张卷子会是多少分,但是你抽出了100张卷子,知道这个量子的概率分布,下次在抽的时候你知道有10%的概率会抽到100分,70%的概率会抽到60分,但是你抽与不抽并不会影响学校学生考试的结果。

学校分数和量子唯一的不同点是,学校是很多学生考试的结果,而量子是一个人考试的结果,或者说一个粒子的结果,这就是著名的波粒二象性。听不明白了?

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波粒二象性

我们一开始说电子如同一朵云(波动性),就像全校的试卷分数,测量时它是一个电子,这就像我们抽出了一张试卷的分数,但是你能说这个粒子就考80分吗?不能,这就像波尔说的,所有具有确定性概率分布的波函数坍缩成了一个点,也就是说所有试卷在你抽的时候,是你随机抽了一张。为什么一个电子会形成一朵云,同时在概率分布的任意位置?为什么一个学校里只有一个学生,却考出了全校不同的分数,只是因为它是波,它具有波动性。

如果你还无法理解,你就记住这个比喻:粒子就像是“孙悟空”,拔了身上的毛变出很多分身,同时出现在不同的地方,形成一个悟空军队向前波动前进和妖怪大军干架,当唐僧一叫:“悟空”,波形军队会消失只会随机位置随机留下一个孙悟空,回应唐僧:“师傅,我在这呢”!根据波形不同,不同地方悟空的数量不同,不同地方悟空的数量呈概率分布。

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带着对“波粒二象性”的理解再回过头看猫。

问在没打开箱子之前,猫是什么状态?回答:即死即活,同时存在,但是为概率分布:死50%,活50%。

问打开箱子之后会出现什么结果?回答:测100次,一般会有50次死,50次活。

问这个结果由什么决定的?回答:由波粒二象性决定的,波函数坍缩是随机的,与测量无关,不以人的意志为转移。

以上就是猫的实验,实验的目的,实验的结果,实验的升级!

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