埃爾溫·薛丁格是奧地利著名的物理學家,1926年薛丁格提出了著名的薛丁格方程,為量子力學奠定了堅實的基礎。1933年埃爾溫·薛丁格因薛丁格方程獲諾貝爾物理學獎。1935年薛丁格提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗,也就是薛丁格的貓。他試圖從宏觀尺度闡述微觀尺度的量子疊加原理的問題。這一思想實驗巧妙地把微觀物質在觀測後是粒子還是波的存在形式和宏觀的貓聯繫起來,以此求證觀測介入時量子的存在形式。
因為這隻貓的提出最終使得薛丁格心神不寧,把他整的是死去活來,而且由於「薛丁格的貓」的提出,從此開啟了量子力學研究的熱潮。從而整得更多的人死去活來。中國對於量子力學的研究自然不肯落後,從而整的更多的中國人也狂抓!
如果你對這些科學不感興趣,不想被這隻貓給「整死」,那麼建議你不要看此文。
首先我所說的被薛丁格的貓給害死,並不是指這隻貓真的害死了大量人的性命,這裡的「害死」主要是指精神上的考驗。對現今的人生宇宙產生了嚴重的質疑,產生了無限的遐想……
那麼什麼是量子力學呢,什麼又是薛丁格的貓呢?為什麼要研究量子力學等,針對這些問題我們一一去理清楚他們的來龍去脈。
量子力學是描述微觀物質(原子、亞原子粒子)行為的物理學理論,量子力學是我們理解除萬有引力之外的所有基本力(電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用)的基礎。那麼什麼又是量子,為什麼要去探索這些微觀的作用力呢?
這裡先說一個題外話,我們對這個世界的認識是源於我們的五官,然而我們五官所能感受到的全部都是宏觀的世界。比如我們想要知道人的特性,僅憑五官從宏觀的世界去了解,是很弄清楚人的一些具體特性的,比如人為什麼會吃飯,為什麼會生老病死等。那麼我進入微觀的世界,從組織到分子再到細胞,去弄清楚細胞的特性就能得出人所具有的特性。所以一些生物實驗基本都是研究最小單位細胞,從而去推理出生命的屬性。
對於宇宙的探索也是如此,為什麼是研究量子而不是粒子夸克呢?首先得分清楚量子和電子中子質子可不是一個意思。容易混淆是因為翻譯的緣故,我們把微觀的單位基本都翻譯成*子,而量子是指「量元化的」,量子是一個在物理學中常用到的概念,指一個不可分割的基本個體。量子它有可能是若干個粒子組成。你可以簡單理解成,所謂量子就是研究物質世界和能量世界的中間環節點。
研究量子力學我們可以知道這個世界究竟是怎樣運行的。根據量子力學的探究,微觀粒子總是處於多種狀態的疊加態。在最早人們開展光子和電子的雙縫幹涉實驗時,會發現單個光子或電子總會莫名其妙地同時通過兩條縫,也就是說單個光子或電子在過雙縫時,處於同時經過左縫和右縫的疊加狀態。而當人們試圖觀測到底是怎樣一種疊加狀態時,光子或電子會瞬間退化為單個粒子狀態。總之,讓人無法觀測。
於是薛丁格提出了著名的貓實驗思想,在一個盒子裡有一隻貓,以及少量放射性物質。之後,有50%的概率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓,同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。
根據經典物理學,在盒子裡必將發生這兩個結果之一,而外部觀測者只有打開盒子才能知道裡面的結果。在量子的世界裡,當盒子處於關閉狀態,整個系統則一直保持不確定性的波態,即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開後,外部觀測者觀測時,物質以粒子形式表現後才能確定。這項實驗旨在論證量子力學對微觀粒子世界超乎常理的認識和理解,可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理,客觀規律不以人的意志為轉移,貓既活又死違背了邏輯思維。
薛丁格的貓是諸多量子困惑中有代表性的一個。一隻貓被封在一個密室裡,密室裡有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個錘子,錘子由一個電子開關控制,電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變,則放出阿爾法粒子,觸動電子開關,錘子落下,砸碎毒藥瓶,釋放出裡面的氰化物氣體,貓必死無疑。
原子核的衰變是隨機事件,物理學家所能精確知道的只是半衰期——衰變一半所需要的時間。對於放射性元素的半衰期物理學家卻無法知道,它在什麼時候衰變,當然,物理學家知道它衰變的機率也就是貓死亡的機率。如果我們不揭開密室的蓋子,可以認定,貓要麼死要麼活。這是它的兩種本徵態。
如果我們用薛丁格方程來描述薛丁格貓,則只能說,它處於一種活與不活的疊加態。我們只有在揭開蓋子的一瞬間,才能確切地知道貓是死是活。此時,貓構成的波函數由疊加態立即收縮到某一個本徵態。量子理論認為:如果沒有揭開蓋子,進行觀察,我們永遠也不知道貓是死是活,它將永遠處於半死不活的疊加態,可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理,客觀規律不以人的意志為轉移,貓既活又死違背了邏輯思維。
此後哥本哈根詮釋以及多世界詮釋都相互爭論著,哥本哈根詮釋捍衛了「意識」的崇高地位,強調了意識對於實驗結果的決定性。這個詮釋在很長一段時間內成了「正統的,標準的」詮釋。
多世界詮釋則很好地解釋了薛丁格的貓態,「原子衰變了,貓死了;原子沒有衰變,貓還活著」這兩個世界將完全相互獨立地演變下去,就像兩個平行的世界一樣。平行世界理論如果真的存在,那麼我們都是生活在平行世界當中,既在另一個世界有另外一個你,兩個世界中的你以某種方式關聯著。即便是這個世界中你去世了,你的親友為你哀悼,可另外一個世界的你卻仍然活著……
還有什麼量子糾纏,在波函數描述多電子體系時,還會出現一個神奇的現象——量子糾纏,也就是說在一個多電子體系中,對一個電子的狀態的改變能夠牽扯到這個體系其他電子的狀態的改變,不管這個兩個電子的距離相隔多遠。這種作用關係被愛因斯坦稱作「幽靈般的超距作用」。
愛因斯坦說的:上帝不玩骰子,但是量子力學讓我們不得不相信,上帝似乎是玩骰子的。所以量子力學也有著反常識、難理解的特點,畢竟這是一門反常識的學科,量子力學奠基人之一波爾說「誰看到量子理論還沒發瘋,那他肯定是沒有看懂。」
所以嘛,要怪就怪薛丁格的貓,這隻貓害的許多物理學界的大佬寢食難安,怎麼也思索不透這個世界究竟是一種怎麼樣分方式運行著。
儘管科學家並沒有研究透量子力學,但是量子力學卻可以在很多領域裡得到應用。比如中科院就在量子通訊方面取得重大突破。量子通信是量子密鑰加傳統通信的簡稱,量子通信並不是通過量子糾纏來傳遞信息,而是傳遞密鑰。量子的不可克隆性和不確定性保證了量子密匙分配的高安全性。
還有什麼量子計算機,如果取得成功那麼將是科學界重大的革命!