薛丁格的貓是什麼貓?這是我看到的最通俗的解釋

2021-02-08 博雅讀書社


薛丁格的貓是奧地利著名物理學家薛丁格提出的一個理想實驗。


試圖闡述宏觀尺度是否遵從微觀尺度的量子疊加原理的問題,巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯繫起來,以此證明量子力學在宏觀狀態下的不完備性。


隨著物理學的發展,薛丁格的貓還牽引出了平行宇宙等物理問題和哲學爭議。


 


很多朋友會問,薛丁格的貓到底是哲學問題還是物理問題?


我們的組織結構是強政府,人們已經習慣了政府的權威帶著我們思考,現在國家層面發射了量子衛星,很多人開始重視量子力學有關問題。


薛丁格的貓到底是描述了微觀和宏觀的差異,還是主觀和客觀的矛盾?其實,量子力學不是概率論。


概率論是對事件發生的可能加以評估,但事件最終可能只有一個。所以,一般人的理解是一種概率論式的理解。


從概率論來說,你認為一個事件的發生有多種可能,但最終結果只能有一個。


換而言之,你在不知道結果之前,這個事件對你而言只是一種概率,但最終結果只有一個。


量子世界不同,量子物理在承認概率的同時認為這些概率的結果是非單一的,即若干個概率結果會同時出現,也就是微觀粒子存在疊加態。


這就是我們傳統觀念在作崇。


撇開傳統意識,我們來看看薛丁格的貓,薛丁格貓的核心就是貓處於死與活的疊加狀態(不是處於其中的一個狀態),他是根據量子理論由原子的裂變與非裂變推論出來的。


原子的裂變與非裂變疊加狀態是大家公認的實事,而貓處於死於非死的疊加狀態則令大家不能接受。


這個問題曾經令許多大師難以解釋。


這個思想實驗的意義是,將量子理論從微觀領域帶到了宏觀領域,而導出和一般常識相衝突的結果。


根據哥本哈根學派的解釋,當觀察者未打開盒子之前,貓處於一種「又死又活」的狀態,該狀態可以用一個波函數來描述,而波函數可由薛丁格方程解出。


一旦觀察者打開盒子觀察,波函數會坍塌(Collapse),貓呈現在觀察者面前的只會「生」或「死」的狀態之一。


這導致了對世界客觀性和人意識的作用的討論。根據多世界理論,當觀察者打開盒子的一刻,世界會分裂成多個世界,而觀察者只能進入眾多的世界其中的一個,而觀察結果就因此只有一個,貓是「生」或「死」。


而在其他世界裡貓的狀態會由薛丁格方程決定。其生存的概率越大,貓倖存下來而處於其中的世界的數目就越多。


薛丁格可被視為一個佯謬,由「不確定」的衰變-檢測器-毒藥-貓的生死構成一條因果鏈,將量子的不確定與宏觀物質(貓的生死)的不確定性聯繫起來,而根據日常經驗,無論我們是否觀察,貓的狀態必為生或死中之一。



對於史蒂芬·霍金來說,作為牛頓在劍橋盧卡遜教席的繼承人、愛因斯坦之後的物理學界盟主,如果物理學上還有什麼事件讓他煩惱的話,那是薛丁格的貓。「——誰敢跟我提起薛丁格那隻該死的貓,我就去拿槍!」


一隻貓同時又是死的又是活的?它處在不死不活的疊加態?這未免和常識太過衝突,同時在生物學角度來講也是奇談怪論。


如果打開箱子出來一隻活貓,那麼要是它能說話,它會不會描述那種死/活疊加的奇異感受?恐怕不太可能。


換言之,薛丁格貓概念的提出是為了解決愛因斯坦的相對論所帶來的祖母悖論,即平行宇宙之說。


關於這隻「貓」,包括愛因斯坦在內的許多非主流科學家是持懷疑態度的,他們認為:這個原因是由「平行宇宙」(MWI)造成的。


即:


當我們向盒子裡看時,整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其餘的各個方面都是全同的。


唯一的區別在於其中一個版本中,原子衰變了,貓死了;而在另一個版本中,原子沒有衰變,貓還活著。


在量子的多世界中,我們通過參與而選擇出自己的道路。在我們生活的這個世界上,沒有隱變量,上帝不會擲骰子,一切都是真實的。


管他什麼微觀宏觀主管客觀,先別把這個事情看的太複雜。


本身薛丁格的這個實驗就有前提條件:「盒子裡的噴射毒氣的裝置的隨機性,是不確定的,是真正的隨機」你了解原實驗也可以知道,機關由一個放射性原子所控制,裂變然後觸動機關噴發毒氣。


有50%的概率隨機釋放。在這個「真正的隨機」的前提下,盒子關起來了,就連宇宙都不知道貓是死是活。沒有任何東西知道它是死,還是活。


在這個時候,薛丁格提出,貓在盒子關上的一瞬間,既是死的,也是活的。也就是死活疊加了,聽起來很怪,其實並不然。


其實,我們應該換個角度來看,也就是當你打開盒子的那一瞬間,你就是宇宙知道貓是死還是活的第一人。


通過你的眼鏡,通過光速來觀察,當有了觀察者,是死,是活,只能有一個,另外一個概率崩塌。


薛丁格的貓本身是一個假設的概念,但隨著技術的發展,人們在光子、原子、分子中實現了薛丁格貓態,甚至已經開始嘗試用病毒來製備薛丁格貓態,就像劉慈欣《球狀閃電》中變成量子態的人,人們已經越來越接近實現生命體的薛丁格貓。


可是另外一方面,最近人們發現量子疊加態(薛丁格貓態)本身就在生命過程中存在著,且是生物生存不可缺少的。


潘建偉們已經在這方面走得很遠,所以中國自然科學獎一等獎就落到了他的頭上,我國也成為世界上第一個發射量子衛星和暗物質衛星的國家。


這樣說,很多朋友還是不太理解,換種說法說吧,也就是薛定鄂的貓的實驗本身是薛丁格為了嘲諷同行,並強調宏觀世界不存在真正的「隨機」而做的。


用通俗的話說就是:宏觀世界不存在隨機,如果你想把微觀世界的隨機投影到宏觀世界上而在宏觀世界產生隨機,就會如同盒子裡的貓的實驗一樣,微觀粒子的隨機性質影響盒子中貓的死活,讓盒子裡的貓「既死又生」,這是不可能發生的,所以你的想法是錯的。


最近,我看到一段比較有趣的解釋。



這是一位名叫柊二量子力學愛好者在解釋薛丁格的貓的實驗時寫道:這個實驗是有前提條件的,就是符合量子力學的隨機觸發裝置。


先簡單介紹一下實驗流程吧。


在一個封閉的盒子裡,有一隻貓,和一個裝滿毒氣的裝置。裝置有50%的概率開啟,如果開啟的話,裝置內的毒氣會殺死盒子裡的貓。


這個裝置的隨機性是50%的概率,不是簡簡單單的投一枚硬幣,50%機率正面,50%機率反面這麼簡單。


假如你只是投一枚硬幣的話,那麼你的擲出力度、擲出角度、硬幣旋轉的線速度,空氣阻力,硬幣旋轉產生的空氣動力,甚至是硬幣表面的分子分部、地球的地轉偏向力,任何細微的數據全部集中在一起,經過龐大的計算的話,那麼在硬幣投擲出去的瞬間,得到的結果其實早已註定,根本沒有所謂50%的隨機性可言。


這段解釋很到位,把我們很多人有關概率的疑慮說明白了(至少我這樣認為)。


接著他有這樣自圓其說:我們可以這樣理解,投擲硬幣的所有數據,都在「宇宙」的觀察中,所以「宇宙」知道「裝置」是否會噴射毒氣,換言之,盒子裡的貓是無法「量子化」的。


他解釋,這個實驗的核心,既不是盒子,也不是貓,而是可以產生真正的「隨機」的裝置。


其原理就是放射性元素的半衰期不可預測性。機關由一個放射性原子所控制,其裂變則觸發機關。


這個裝置可以捕獲「宇宙」所無法觀察和計算到的隨機數,並根據隨機數的結果,有50%的概率將毒氣釋放。


他認為,在這個前提條件下,在盒子封閉起來時,貓就會處於活著和死去的疊加狀態。


因為連「宇宙」都不知道盒子裡的貓,是活著還是死亡。再這之後,我們人類,也是宇宙的一部分。


在我們開啟盒子時,我們就充當了宇宙的「觀察者」的角色。在我們開啟盒子時,原本處於生死疊加狀態的貓,就會通過我們的眼睛,被「宇宙」所觀察。「觀察者」存在時,原本包裹著貓的「概率雲」就會坍塌。


根據裝置給出的結果,假如裝置噴射了毒氣,那麼疊加狀態的貓的「活貓」部分,就會隨著「概率雲」塌縮,我們就只能觀察到死去的貓。反之,如果裝置沒有噴射毒氣,那麼「死貓」就會塌縮,我們會觀察到一隻活著的貓。


另外,貓為什麼不是宇宙的一部分呢。


首先,貓被封閉在盒子內,盒子中的隨機裝置將左右它的生死。


所以,貓本身會被「概率雲「包裹。也就是說,貓處於活著和死去相疊加。這個疊加無法互相觀察。


疊加狀態的」活貓「部分,認為自己一直活著。而」死貓「部分就只知道毒氣噴射,隨後就成為了一具屍體。


一個「裝置噴射了毒氣」,和「一個裝置沒有噴射毒氣」兩種截然相反的情形,在盒子裡同時出現又互不幹預,當盒子內的情形暴露在「宇宙」中,才會有其中一種與隨機裝置給出的結果不一致的情形塌縮消失。


柊二認為,這也是量子力學的魅力啊,微觀世界的現象,在宏觀世界投影到「貓」 身上,就是這麼奇怪、糾結、和難以置信。


不知道大家看了這段解釋有沒有「豁然開朗」,其實,作為「觀察者"來說,有人問「貓為什麼不能觀察自己」,關於這個問題,我們再回到盒子裡,仍然是這只可憐的小貓,和一個隨機裝置。


這次裝置連接的不再是毒氣瓶了,而是連接到一個用彈射器綁著的拍子。裝置內的放射性原子裂變則變成觸發機關,當彈射器觸發開關開的時候,拍子就會打到貓的身上,貓就會有傷痕。


然後,我們封閉盒子,耐心等待。此時盒子內,就會出現健康的貓和受傷的貓疊加的情況。


健康貓和受傷的貓無法互相觀察。健康貓部分,它的經歷是,被愚蠢的人類關到一個盒子裡,過了一段時間後,盒子打開,它非常不耐煩的跳了出來。


受傷貓部分,它的經歷是,被愚蠢的人類關到一個盒子裡,盒子封閉以後,拍子達到貓身上,貓受傷了。


盒子打開後,它非常憤怒的跳出來,想辦法養傷去。一個盒子裡只有一隻貓,盒子打開,在我們的觀察中,就會有其中一隻隨著「概率雲」塌縮。所以,只會有一隻貓跳出來。


無論這隻貓是健康的貓還是受傷的貓,在它們的經歷經歷中,都沒有遇到過另一個「自己」,而是同一隻貓的兩種不同經歷同時出現在盒子裡,直到其中一種經歷隨著「宇宙」的觀察而消失。


所以,貓,無法充當觀察者。


不過,這個作者提醒大家,我們的目的,並不是讓人類或是任何生靈或是任何電子設備,去猜盒子裡的狀況。盒子想要蒙蔽的,是「宇宙」。


人類,任何生靈,任何電子設備,只是宇宙的觀察者。實驗有趣的地方在於盒子內的「概率雲」被觀察前的狀態。而不是想辦法在「宇宙」 知道答案之前掀開盒子看一看。


    

我想,讀了這段解釋,我們對薛丁格的貓更容易解讀了。也明白了潘建偉和那些大師們研究這隻貓的最終目的了。


我在琢磨:人和任何生靈,甚至於網絡、微信,都是宇宙的一部分,它們觀察到了,宇宙也就觀察到了,盒子內就不再有「概率」 了,意識也就有了「主觀性」。


這種主觀性,在我看來,是一種巨大的反作用,在這種作用的物化下,保密性就顯性了。量子通信最重要的就是保密性。但這種保密性在國家層面是可行的,如果要讓量子通信走入大眾生活其實也簡單,當我們普通人都掌握了這種特性,我們的保密就不難了。因為,這不是一種技術。 


看到這裡,大家對量子力學是不是還會有很多的疑問和好奇,別擔心,這次,我們很榮幸邀請到《從零開始讀懂量子力學》暢銷書作者戴瑾老師作客直播間,為我們揭開量子力學的秘密。


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