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本科普系列是想尽量使用通俗的语言,向公众介绍神秘奇妙的‘量子纠缠’。

要认识神秘的量子纠缠,首先要认识神秘的量子现象。

不管是学哪个行业的,大概都听说过奇妙的量子现象。诸如测不准原理啦,薛定谔的猫之类的,在日常生活中看起来匪夷所思的现象,却是千真万确存在于微观的量子世界中。

许多人将听起来有些诡异的量子理论视为天书,从而敬而远之。有人感叹说:“量子力学,太不可思议了,不懂啊,晕!”

不懂量子力学,听了就晕,那是非常正常的反应。听听诺贝尔物理学奖得主,大物理学家费曼的名言吧。费曼说:“我想我可以有把握地讲,沒有人懂量子力学!” 量子论的另一创始人玻尔(Niels Bohr)也说过:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”既然连费曼和玻尔都这样说,我等就更不敢吹牛了。

因此,我们暂时不要奢望‘懂得’量子力学。此一系列文章的目的是让我们能够多‘了解’、多认识一些量子力学。因为量子力学虽然神秘,却是科学史上最为精确地被实验检验了的理论,量子力学经历了100多年的艰难历史,发展至今,可说是到达了人类智力征程上的最高成就。身为现代人,如果不曾‘了解’一点点量子力学,就如同没有上过因特网,没有写过email一样,可算是人生的一大遗憾啊。

刚才提及量子现象时,说到了‘薛定谔的猫’,我们的讨论可由此开始。

1. 薛定谔、女朋友、猫

薛定谔(E.Schr dinger ,1887—1961)是奥地利著名物理学家、量子力学的创始人之一,曾获1933年诺贝尔物理学奖,量子力学中描述原子、电子等微观粒子运动的薛定谔方程,就是以他而命名的。

‘薛定谔的猫’也称‘薛定谔佯谬’,是指薛定谔为说明量子力学中的‘叠加态’设计的一个思想实验而导致的佯谬。

那么,首先我们需要了解,什么是‘叠加态’?

根据我们的日常经验,一个物体某一时刻,总会处于某个固定的状态。比如我说:女儿现在‘在’客厅里,或是说:女儿现在‘不在’客厅里。要么在,要么不在,两种状态,必居其一。然而,在微观的量子世界中,情况却有所不同。微观粒子可以处于一种所谓‘叠加态’的状态中,这种状态是不确定的。例如,电子可以同时位于两个不同的地点:A和B,也就是说,电子既在A,又不在A。电子的状态是‘在’和‘不在’,两种状态按一定几率的叠加。电子的这种混合状态,叫做‘叠加态’。

聪明的读者会说:“女儿此刻‘在’或‘不在’客厅,看一眼就清楚了。电子在A,或是不在A,测量一下不就知道了吗?”说得没错,当我们对电子的状态进行‘测量’时,电子的‘叠加态’不复存在,而是‘坍缩’到‘在A’,或是‘不在A’,两个状态的其中之一。但是,微观与宏观之不同,是在于观测之前。女儿在不在客厅,观测之前已成事实,并不以‘看’或‘不看’而转移。而微观电子坍缩前的状态,并无定论,直到测量它,才因坍缩而确定。这是微观世界中量子叠加态的奇妙特点。

尽管量子现象显得如此神秘。然而,量子力学的结论却早已在诸多方面被实验证实,被学术界接受,在各行各业还得到各种应用,量子物理学对我们现代日常生活的影响无比巨大。以其为基础而产生的电子学革命及光学革命将我们带入了如今的计算机信息时代。可以说,没有量子力学,就不会有今天所谓的‘高科技’产业。

如何解释量子力学的基本理论,仍然是见仁见智,莫衷一是。这点也曾经深深地困扰着它的创立者们,包括伟大的爱因斯坦。微观叠加态的特点与宏观规律如此不同,物理学家如薛定谔也想不通。于是,薛定谔在1935年发表了一篇论文,题为《量子力学的现状》,在论文的第5节,薛定谔编出了一个‘薛定谔猫’的理想实验,试图将微观不确定性变为宏观不确定性,微观的迷惑变为宏观的佯谬,以引起大家的注意。果不其然!物理学家们对此佯谬一直众说纷纭、争论至今。

以下是‘薛定谔猫’的实验描述。

把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子连接到一个装置,其中包含一个原子核和毒气设施。设想这个原子核有50%的可能性发生衰变。衰变时发射出一个粒子,这个粒子将会触发毒气设施,从而杀死这只猫。根据量子力学的原理,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,因此,那只可怜的猫就应该相应地处于‘死’和‘活’ 的叠加态。非死非活,又死又活,状态不确定,直到有人打开盒子观测它。

实验中的猫,可类比于微观世界的电子(或原子)。在量子理论中,电子可以不处于一个固定的状态(0或1),而是同时处于两种状态的叠加(0和1)。如果把叠加态的概念用于猫的话,那就是说,处于叠加态的猫是半死不活、又死又活的。

量子理论认为:如果没有揭开盖子,进行观察,薛定谔的猫的状态是‘死’与‘活’的叠加。此猫将永远处于同时是死又是活的叠加态。这与我们的日常经验严重相违。一只猫,要么死,要么活,怎么可能不死不活,半死半活呢?别小看这一个听起来似乎荒谬的物理理想实验。它不仅在物理学方面极具意义,在哲学方面也引申了很多的思考。

谈到哲学,聪明的读者又要笑了,因为在古代哲学思想中,不凡这种似是而非、模棱两可的说法。这不就是辩证法的思想吗?你中有我,我中有你,一就是二,二就是一,合二而一,天人合一,等等等等,如此而已。

此话不假,因此才有人如此来比喻‘薛定谔的猫’:男女在开始恋爱前,不知道结果是好或者不好,这时,可以将恋爱结果看成好与不好的混合叠加状态。如果你想知道结果,唯一的方法是去试试看,但是,只要你试过,你就已经改变了原来的结果了!

无论从人文科学的角度,如何来诠释和理解‘薛定谔的猫’,人们仍然觉得量子理论听起来有些诡异。有读者可能会说:“你拉扯了半天,我仍然不懂量子力学啊!”

还好,刚才我们已经给读者打了预防针,不是吗?没有人懂量子力学,包括薛定谔自己在内!薛定谔的本意是要用‘薛定谔猫’这个实验的荒谬结果,来嘲笑哥本哈根学派对量子力学,对薛定谔方程引进的‘波函数’概念的几率解释,但实际上,这个假想实验使薛定谔自己,站到了自己奠基的理论的对立面上,难怪有物理学家调侃地说到薛定谔:“薛定谔不懂薛定谔方程!”

到此为止,我们解释了半天‘薛定谔猫’实验的来龙去脉,却只字未提薛定谔的女朋友之事。再此赶快补上这段八卦,以免使读者大失所望。

薛定谔应该具有超凡的个人魅力,风流倜傥,女友无数。要不然怎么会触动舞台剧编导、纽约剧作家马修韦尔斯的灵感,写出了一部‘薛定谔的女朋友’的舞台剧呢?

以下是这个舞台剧2001-2003年在旧金山和纽约演出时的剧照和海报。

094605m93mfd423fot44of《薛定谔的女朋友》是关于爱,性,和量子物理学的一部另类浪漫喜剧。剧作家马修韦尔斯本人,并没有受过超出高中课程的科学教育,但却痴迷于物理学的神秘。他说:”我永远无法进入数学,但我发现它背后的概念,视觉和类比,是如此地引人入胜!”

舞台剧中有这么一段饶有趣味的话:“到底是波动-粒子的二象性难一点呢,还是老婆-情人的二象性更难?”据说薛定谔有很多情妇,也有不少私生子,身边不乏红颜知己。薛定谔的女友和薛定谔的猫一样不确定,薛定谔的婚姻爱情观和他的物理理论一样,不同凡响。据说,薛定谔是个‘多情种子’类的人物,他的情妇虽然多,但他每爱一个女人时,都是真心实意地。也许我们可以用量子力学的语言来作个比喻:薛定谔的感情和性生活,总是处于一个包括很多本征态的复杂叠加态中。一定时期,叠加态‘坍缩’到某个本征态,薛定谔便投入一个女友的怀抱。

但是,在薛定谔众多女友中,有一位很不一般的神秘女人,正是她,成为了这部舞台剧的女主人公。

在1925年圣诞节前,薛定谔像往年一样,来到美丽的、白雪皑皑的阿尔卑斯山上度假,但这次陪伴他的不是太太安妮,而是一位来自维也纳的神秘女友。薛定谔的这位女友神秘莫测,直到八十多年后的今天,也无人考证出她的身份来历。她不是考证者已知的薛定谔情妇中的任何一位。无论如何,在这对情侣共度佳期的时期内,这位神秘女郎极大地激发了薛定谔的灵感,使得他令人惊异地始终维持着一种极富创造力和洞察力的状态。因此,物理学家们说,薛定谔的伟大工作是在他生命中一段情欲极其旺盛的时期内作出的。薛定谔自己也不否认这点,他认为,通过观看这个引人注目的女人,他找到了困惑科学界波/粒二象性看似矛盾的关键。果然,之后的一年内,薛定谔接连不断地发表了六篇关于量子力学的主要论文,提出了著名的薛定谔方程。因此,在享受量子力学带给我们辉煌灿烂的科技成果的今天,我们也应该感谢这位神秘女郎的贡献。

综上所述,是‘薛定谔的神秘女友’,激发了薛定谔天才的想象力和灵感,使其建立了微观世界中粒子的波函数所遵循的薛定谔方程。然后,薛定谔不同意哥本哈根派对波函数的解释,设计了‘薛定谔的猫’的思想实验。用薛定谔自己的话来说,他要用这个“恶魔般的装置”,让人们闻之色变。薛定谔说:看吧,如果你们将波函数解释成粒子的几率波的话,就会导致一个既死又活的猫的荒谬结论。因此,几率波的说法是站不住脚的!

这只猫的确令人毛骨悚然,相关的争论一直持续到今天。连当今伟大的物理学家霍金也曾经愤愤地说:“当我听说薛定谔的猫的时候,我就跑去拿枪,想一枪把猫打死!”

在宏观世界中,既死又活的猫不可能存在,但许多许多实验都已经证实了微观世界中叠加态的存在。总之,通过薛定谔的猫,我们认识了叠加态,以及被测量时叠加态的坍缩。

叠加态的存在,是量子力学最大的奥秘,是量子现象给人以神秘感的根源,是我们了解量子力学的关键。

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本文授权转载于张天蓉老师的个人博客,欲再转载者请联系原作者

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51 Responses to “走近量子纠缠(1)薛定谔的猫”

  1. msw说道:

    不看永远不知道,一看才定知道何。

    • 2说道:

      不看的时候 你知道不知道并不确定,看到的时候,这个宇宙的你知道自己不知道,平行宇宙的你知道自己知道。与前两个宇宙相反的宇宙,其中一个不知道自己知道,另外一个不知道自己不知道。 该这么解释?

  2. 中二病说道:

    感觉松鼠会的文章越来越。。说得好听点是接近大众

  3. cttet说道:

    我觉得不提双缝实验直接上哥本哈根的都会让人一头雾水,觉得量子力学很复杂。。。。

    但其实认认真真把实验现象解释清楚不是更简单么,又何必纠结本来是佯谬的猫呢?

  4. 巴黎石头说道:

    我有些不明白,不知道猫是死是活只是因为无法测量,并不一定代表它就处于两种状态的叠加中啊。
    我不知道为什么所有的文章都喜欢强调“叠加”这两个字,使读者认为两种状态同时存在一样。
    其实只是因为无法测量,所以两种状态都有一定的几率不是吗?而事实上,猫只能是活或者死其中一种状态,只不过无法了解罢了。

    • seaeye说道:

      你说的对。
      其实哥本哈根解释也只是其中一种解释,并非真实。
      另外,2001年有个新的理论 认为“不死不活”只是观察者的心理状态,而不是客观现实,每个人的波函数都不一样。
      客观现实不可知,就跟你的理解一样。
      《环球科学》2013年第七期
      66 量子悖论只是想象?

      撰文 汉斯·克里斯蒂安·冯贝耶尔(Hans Christian von Baeyer)

      对于量子理论的传统解释,往往导致许多奇怪悖论,比如薛定谔的猫——猫既是死的又是活的。一种被称为量子贝叶斯模型的新版量子理论,重写了最基本的量子法则,可以把种种量子悖论一扫而空。但是,这又需要付出怎样的代价?
      http://www.huanqiukexue.com/html/benqimulu/2013/0624/23255.html

    • javamader说道:

      我赞成

    • xuby说道:

      确实是同时存在。请参见延迟实验:
      http://baike.baidu.com/view/2858303.htm?fromTaglist

    • 何凡说道:

      就像0°C的水蒸发后会结冰一样。测量猫的死活之后,“信息量子” 蒸发了,猫的状态趋于稳定,坍缩到了两个状态之一,但是之前还是叠加态的。

    • cttet说道:

      数学上这样算。。。

  5. Penney说道:

    接近大众有什么不好

  6. a说道:

    一塌糊涂

  7. DreamBeats说道:

    薛定谔的猫说明宏观现象是围观叠加态的综合表现,猫不可能又死又活是因为不可能由一个原子衰变触发毒气

    • 巴黎石头说道:

      既然是概率,何必要说叠加?
      所谓叠加不就是说两种状态重叠在一起,是同时存在的吗?至少中文理解起来是这样。
      其实应该是两种状态都有一定几率,但在一个时刻肯定只有一种状态存在。由于通过观察无法确知猫原先的状态,所以原先的状态不得不用概率来表示。

      • George Han说道:

        这种理解是错误的。你需要回去仔细读一下最基本的双缝衍射,如果光子随机通过左或右缝的话,即使不知道每一次是左还是右,但是经过一定时间后屏幕上的投影是两个集中区域。如果产生波状的衍射,光子必须同时通过左右两个缝口。猫也是一样,引发毒气的粒子必须同时处在开与没开的混合状态,导致了猫也停留在生和死的叠加状态。

  8. xuby说道:

    对量子力学有兴趣的同学可阅读《上帝掷骰子吗--量子力学史话》一书。是我看到的国内最好的科普读物。没有之一。

  9. cixi说道:

    霍金说的对

  10. 叶浩兵说道:

    看起来就是一句俗话:眼见为实。
    管理学上的应用就是行动决定结果。不做就不会有成果。

  11. 闪烁之尘说道:

    这个猫论是试图解释数学方程的含义。
    数学推导严谨地表示,粒子处于叠加态,不能确定,
    而这令人困惑,于是薛定锷抓狂了,粒子,你是一只不知死活的猫

  12. 何凡说道:

    就像0°C的水蒸发后会结冰一样。测量猫的死活之后,“信息量子” 蒸发了,猫的状态趋于稳定,坍缩到了两个状态之一。

  13. loler说道:

    连当今伟大的物理学家霍金也曾经愤愤地说:“当我听说薛定谔的猫的时候,我就跑去拿枪,想一枪把猫打死!”

    这才是真正的吹牛。

  14. 除了哲学部分外说道:

    不太懂理论物理。但是电子在两个地方作用的话,如果固定了,就只能是观察手段所确定的电子,而非自然状态下的电子,就比如速度,电子可能恒定在某个速度运动,但是一旦降到观察范围呢,也就丧失了速度,自然也就不是原来的了。

  15. cruelworm说道:

    一直搞不清楚
    这其中的"观测"这词是什么一个概念
    具体的定义是什么

  16. AlayaShaka说道:

    我也觉得叠加态其实应该从双缝干涉讲起,就是光子同时通过了左右缝,不观测的话,光子就处于同时通过左右缝的叠加状态,这样才能形成干涉条纹。薛定谔的猫,不观测的话,本来就是不知道死活啊,完全可以不用“叠加态”这个名词来形容,薛定谔的猫我觉得要是按照根本哈根解释的话,所谓的“意识引发坍缩”,“什么引发的了坍缩”,才是这个实验比较难解释的地方。

    • dfsgs说道:

      冥冥之中我觉的是因为观察者和被观察物处于同一宇宙无法完全割裂才导致坍塌的,没有完全不影响的观察存在

  17. AlayaShaka说道:

    还有“叠加态”,应该讲的重点是,“观测”以后“叠加态”才会随机选择一种状态“坍缩”,而宏观的情况,不可能说是谁能随机选择自己“在”与“不在”,我觉得重点在于“随机选择一种状态坍缩”,这样就能和宏观概率区别开来了,我觉得这才应该是引出量子力学奇妙之处,接着看看第二篇吧……

  18. 博格方块说道:

    费曼对双缝实验的解释:
    忘掉波函数吧。粒子+几率,就可以解释实验结果。光子有一定的几率通过左缝,也有一定的几率通过右缝。
    你不需要,也不可能知道其中的“机制”(能量守恒的机制是什么?),只要这么办就行。

  19. 大风说道:

    太有意思了。好!

  20. 圆月弯刀说道:

    打开盒子才算观测吗?用x光算不算观测?我认为,在猫与任何事物产生相互作用时就己经确定了猫的状态。
    宏观事物正是与其它事物产生了千丝万缕的联系,所以总是以确定的状态呈现我们面前

  21. 说道:

    也许这只猫在观测那个瓶子呢。。。

  22. Christopher说道:

    以观测为基础。也许是我们的观测决定了我们所能知道的事情。
    我相信决定论,但是我们无法了解全部的信息。
    一切都是被决定的,我们只能观测到一小部分,剩下的隐藏在波粒二象性的后面。

  23. 微微说道:

    還有其他可能,雙縫干涉並不完全,多縫會發生什麼結果?
    開始干涉時,已經發生變化,不是麼?
    簡單說,形成疊加的條件發生變化,就會出現選擇······
    所以,哥本哈根“不確定”

  24. 黄铁军说道:

    我认为破解“薛定谔的猫”这个佯谬的关键在于其本身的定义:根据薛定谔的定义,猫是死是活,取决于原子核是否触发毒气,原子核是否触发毒气,取决于它所处状态:处于A本征态(衰变)触发则猫死,处于B本征态(不衰变)则不触发,则猫活。注意了!还有第三种状态——叠加态,薛定谔并没有说叠加态是否能够触发毒气。叠加态是指粒子按照一定概率既处于A也处于B,换句话说,在一段时间内粒子一定会处于A状态,那么根据按照薛定谔的初始定义,只要盒子把猫关一段时间,毒气开关一定会被触发,猫一定死,而不会处在又死又活的“叠加态”。当然,薛定谔也可以说只有粒子完全处于A本征态才触发毒气开关,那么猫在盒子中一定是处于活的状态,只有打开盒子时,粒子状态按照概率(根据打开盒子那个时刻粒子的状态和打开盒子这个动作的影响)坍塌到A或B,从而决定了猫的死活。这种情况也只是说打开盒子之前猫一只是活着的,打开动作决定论猫的死活。

    总而言之,“薛定谔的猫”只是一个佯谬,猫并不存在“又死又活”这种状态。粒子处于叠加态,并不一定意味着粒子在同一时刻同时处于A和B两种状态,而是说粒子在两种状态(或多种状态)之间快速切换,每个时刻仍然只有一种状态。

  25. milaoshu64说道:

    也许有另一个世界吧。

  26. shenzhijiaozi说道:

    不错,写的,量子力学是一门深奥的学科

  27. Xptom说道:

    量子物理一直没有跟“意识”断绝关系

  28. wsk说道:

    个人感觉量子的状态可以用一个太极图来表示,没观察的时候围着圈圈在转,看他的时候要么出现在白点上,要么出现在黑点上,换句话说观察的时候要么阴要么阳,不观察的时候很混沌。。。。。

  29. 4thelichking说道:

    对于还是不懂为什么薛定谔的猫如此让人神伤的同学 你们对概率波这个概念还是没有清醒的认识 也没有实物粒子的波动性的明确概念 还是再回头看看书吧!

  30. 活在黑洞边缘说道:

    猫同时出现 生与死的概念 确实有些个接受不了 但这玩意是 量子的世界 不同的思想层面 又会有感觉可以理解!

  31. 匿名说道:

    物质世界就像级了哪只猫,我们看到的世界象盒子里的猫。

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