物理學史上有趣的悖論(二)

2022-01-25 果殼中的物理
三、 薛丁格的貓（Paradox of Schrödinger’s Cat）——荒誕的量子力學

薛丁格貓佯謬假設了這樣一種情況:

將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。鐳的衰變存在機率，如果鐳發生衰變，會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死;如果鐳不發生衰變，貓就存活。根據量子力學理論，由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加，貓就理應處於死貓和活貓的疊加狀態。這隻既死又活的貓就是所謂的"薛丁格貓"。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。

哥本哈根詮釋：

薛丁格挖苦說:按照量子力學的解釋，箱中之貓處於"死-活疊加態"--既死了又活著!要等到打開箱子看貓一眼才決定其生死。請注意!不是發現而是決定，僅僅看一眼就足以致命!正像哈姆雷特王(引用自莎士比亞的名言) 所說:"生存還是死亡，這是一個問題。"只有當你打開盒子的時候，疊加態突然結束(在數學術語就是"波函數坍縮(collapse)") ，哈姆雷特王子的猶豫才終於結束，我們知道了貓的確定態:死，或者活。哥本哈根的機率詮釋的優點:只出現一個結果，這與我們觀測到的結果相符合。有一個大的問題:它要求波函數突然坍縮，可物理學中沒有一個公式能夠描述這種坍縮。儘管如此，長期以來物理學家們出於或許實用主義的考慮，還是接受了哥本哈根的詮釋。

付出的代價:

違反了薛丁格方程。這就難怪薛丁格一直耿耿於懷了。

多重宇宙詮釋：

兩隻貓都是真實的。有一隻活貓，有一隻死貓，它們位於不同的世界中。問題並不在於盒子中的放射性原子是否衰變，而在於它既衰變又不衰變。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。區別只是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。也就是說，上面說的"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。格利賓十分讚賞這一詮釋，故他接著說:"這聽起來就像科幻小說，然而……它是基於無懈可擊的數學方程，基於量子力學樸實的、自洽的、符合邏輯的結果。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。"按格利賓所說，愛因斯坦如果還活著，他也許會同意並大大地讚揚這一個"沒有隱變量，'上帝'不會擲骰子"的理論。這個詮釋的優點:薛丁格方程始終成立，波函數從不坍縮，由此它簡化了基本理論。它的問題:設想過於離奇，付出的代價是這些平行的世界全都是同樣真實的。這就難怪有人說:"在科學史上，多世界詮釋無疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論。"

隨著量子力學的發展，科學家已先後通過各種方案獲得了宏觀量子疊加態。此前，科學家最多使4個離子或5個光子達到"薛丁格貓"態。如何使更多粒子構成的系統達到這種狀態並保存更長時間，已成為實驗物理學的一大挑戰。"薛丁格貓"態不僅具有理論研究意義，也有實際應用的潛力。比如，多粒子的"薛丁格貓"態系統可以作為未來高容錯量子計算機的核心部件，也可以用來製造極其靈敏的傳感器以及原子鐘、幹涉儀等精密測量裝備。

四、 EPR悖論 （Einstein-Podolsky-Rosen paradox）——局域實在論與量子力學之爭

1935年，愛因斯坦、波多爾斯基、羅森發表了題為《能認為量子力學對物理實在的描述是完全的嗎》的論文。文中考慮量子力學的二粒子糾纏態

如果人們毫不幹擾一個體系而能確定地預言它的一個物理量的值，則對應於這個物理量就存在物理實在性的一個元素。

根據這個判據，粒子2的坐標和動量都是物理實在的元素，但量子力學認為粒子的坐標和動量不能同時具有確定值，因此它的描述是不完備的。在論證中，愛因斯坦等人設想了一個測量粒子坐標和動量的思想實驗，稱為"EPR思想實驗"，可以凸顯出局域實在論與量子力學完備性之間的矛盾。後來D.玻姆把它簡化為測量自旋的實驗:考慮兩個自旋為

EPR論證並沒有質疑量子力學的正確性，它質疑的是量子力學的不完備性，量子力學不能預測物體的確切性質，只能預測物體的統計性質，不能存在單獨量子系統，只能描述一個系綜的量子系統。或許在不久的未來，物理學家會想出更完備的量子理論。但是，這論文是建立於貌似合理的假設--局域論與實在論(局域實在論)的基礎之上。簡略解釋，局域論不允許"鬼魅般的超距作用"，實在論主張，月亮依舊存在，即使無人賞月。EPR悖論揭露了測量過程的基本非經典性質，從而推進了物理學家對於量子力學的了解。在EPR論文發表之前，測量時常被視為是一種物理攪擾，直接作用於被測量系統。例如，測量電子的位置可以想像為照射一束光波於電子，這會攪擾電子，造成電子位置的不確定性。在談述量子力學的科普文章裡，時常會遇見這類解釋。EPR悖論指出這類解釋的錯誤之處，並且表明，測量一個粒子的性質，不一定要攪擾這粒子，可以改為依靠測量遙遠糾纏粒子的性質來預測這粒子的性質。EPR悖論發展出了貝爾不等式以及以後一系列以A·阿斯佩克為首的精確實驗，無異議地支持並深化了量子力學觀點，同時也開闢了量子信息學等這樣一些有廣大應用前景的新研究方向。由此而看，無論是玻爾還是愛因斯坦，都在這場爭論中促進了量子物理學的巨大發展，儘管愛因斯坦本人認為「上帝不擲骰子」。

無論這些悖論給原本理論的提出者帶去了多大的麻煩，它們既有趣又推動了物理學的蓬勃發展，這裡推薦大家一本書——《物理學史話》，再深入了解一下有趣的物理學悖論。

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