科學軼事二則:薛丁格的貓既死了又活著?上帝不擲骰子?

2020-12-05 知識方便麵

薛丁格的貓既死了又活著?

薛丁格的貓(Erwin Schrdinger's Cat)是奧地利著名物理學家薛丁格(Erwin Schrdinger, 1887年8月12日——1961年1月4日)提出的一個思想實驗,是指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。

薛丁格

微觀粒子具有波粒二象性,在量子力學中用一個波函數來描述。而波函數具有一個重要的性質:它可以展開成若干個本徵狀態的疊加,這叫做態疊加原理,就好比一個粒子可以既是自旋向下的狀態又是自旋向上的狀態。這是一種很難直觀想像但是卻被無數實驗證實了的微觀世界的特徵。

在薛丁格的貓的實驗中,某個粒子處於衰變與不衰變的疊加態,而實驗儀器規定一旦粒子衰變則釋放毒氣將貓毒死。所以既然粒子可以處於衰變與不衰變的疊加態,與粒子衰變綁定在一起的貓的性命是不是也就處於生和死的疊加態了呢?

必須澄清,用現代的觀點來看,薛丁格的貓是一個比喻性大於嚴肅性的思想對象。態疊加原理雖然也可以直接運用到宏觀物體上,但我們通常不這樣做。不這樣做的原因是量子疊加,量子糾纏這些現象其實非常脆弱,需要非常小心地保護。宏觀物體時時刻刻與環境進行無法避免的相互作用,這些相互作用會很快破壞掉脆弱的量子態。

一個宏觀物體哪怕一開始處於量子疊加態,它的量子疊加態也會迅速因環境相互作用的擾動坍縮掉。這個時間尺度是極快的,快到人根本無法察覺。這個過程叫做宏觀物體與環境作用的熱退相干。也正因如此,量子力學雖然一直是對的,但你在現實生活中從來就不會看到一隻貓處於死活疊加態。

這隻既死又活的貓就是所謂的「薛丁格貓」。這是一個初期提出來時非常生動且非常有啟發性的物理學比喻,但由於過於生動,後來反而誤導了不少非專業人士。生活中是不可能存在既死又活的貓,則必須在打開箱子後才知道結果。該實驗試圖從宏觀尺度闡述微觀尺度的量子疊加原理的問題,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。隨著量子物理學的發展,薛丁格的貓還延伸出了平行宇宙等物理問題和哲學爭議。

上帝到底擲不擲骰子?

「上帝不擲骰子。」

多年以來,愛因斯坦的這句話已經成了他反對量子力學及其隨機性的標誌。人們自然而然地把這句名言當作他斷然否定量子力學的證據,因為量子力學把隨機性看作是物理世界的內稟性質。

故事是這樣的。愛因斯坦拒絕接受這樣一個事實:一些事情是非決定論的——它們發生就是發生了,人們永遠找不出原因。在同時代的人中,他幾乎是惟一一個還抱此信念的:他堅信宇宙是經典物理式的,像鐘錶那樣機械地嘀嗒運轉,每個瞬間都決定著下個瞬間。擲骰子的這句臺詞象徵了他人生的另一面:提出相對論的物理革命者可悲地變成了保守派,在量子理論方面「落後於時代潮流」——尼爾斯·玻爾這樣評價。

愛因斯坦與玻爾

愛因斯坦與玻爾關於問題的爭論,最後是玻爾的量子論更勝一籌,為什麼人們只知道愛因斯坦而不知道玻爾呢?

我相信,愛因斯坦比玻爾更著名的原因有很多。第一點,愛因斯坦的學術成就的確比玻爾高。20世紀有兩大物理學革命:玻爾帶著海森堡、薛丁格、泡利和愛因斯坦、德布羅意、狄拉克、普朗克這一堆人一起初步完成了量子力學革命。另一邊,愛因斯坦一個人完成了相對論革命。

第二點,對大眾來說,相對論本身比量子力學更好理解,更容易接受,結論也更顛覆常人的世界觀。

——相對論:「空間彎曲,時間變慢,星際旅行,質能轉換。」

——大眾:「666,不明覺厲!」

——量子力學:「貓同時既是死的又是活的。」

——大眾:「你是不是傻?」

第三點,二戰末和二戰之後的冷戰對峙以及20世紀60年代核物理的高速發展,使得原子彈幾乎成為當時的一種流行文化,E=mc2成為一個家喻戶曉的物理公式,而締造這個公式的愛因斯坦幾乎成為大眾心目中智慧的化身。再加上愛因斯坦那極具辨識度的髮型,儼然是一時的「時尚教父」。

最後說一點,愛因斯坦反駁玻爾時提出了一個EPR實驗。後來證明愛因斯坦在EPR上的主張是錯的,但EPR本身又成為了一個新學科量子通信量子信息的源頭。也就是說,學霸的錯誤都是對我們人類的巨大貢獻。你說這讓人怎麼受得了?

相關焦點

  • 愛因斯坦的「上帝不會擲骰子」與「薛丁格的貓」有什麼聯繫?
    愛因斯坦說:「上帝不會擲骰子」;波爾說:「別去管上帝能做什麼!」這是網絡上流傳的愛因斯坦與波爾之爭的精闢語言。其實這都不是原話,但意思差不多。爭論的兩邊都知道這個世界沒有上帝,他們爭論的「上帝」是指自然規律。那麼這個被號稱為世紀之爭的科學理論大戰具體是怎樣一個過程,最終鹿死誰手呢?我們一起來重溫一下這段歷史,看看這些科學大師們的風採。
  • 什麼是薛丁格的貓?歷史上最著名的貓
    把一隻貓和一小瓶密封好的毒藥一起放在盒子中,毒藥瓶因為原子的衰變隨時會破裂,這個時候問題就來了,除非你打開盒子,不然沒人知道毒藥是否釋放,或者何時已經被釋放了,因此貓的死或者活都是可以的。在打開盒子之前,會理所當然地認為,貓要麼是死,要麼是活,概率是各有50%。但是薛丁格提出,根據量子力學,貓處於生死疊加態,在打開盒子的一瞬間,我們打破了這種疊加態,才確切地知道了答案。
  • 為什麼說「薛丁格的貓」是對上帝在擲骰子的最好論證?
    「薛丁格的貓」是量子力學裡一個非常著名的實驗,這個實驗的最初目的是為了論證量子力學的不可靠性,但是最後卻叛變,成為了證明量子力學正確性的重要實驗。但是「薛丁格的貓」這個實驗在現實也就是宏觀世界中是永遠無法實現的。這究竟是為什麼呢?
  • 《上帝擲骰子嗎?》讀書筆記下
    但腦細胞也得靠細微的電流工作,就算我們尚不完全清楚其中的機制,也沒有理由認為有某種超自然的東西在裡面。」「怎樣在觀測者和非觀測者之間劃定界限?薛丁格貓的波函數是在我們打開箱子的那一剎那坍縮?還是它要等到光子進入我們的眼睛並在視網膜上激起電脈衝信號?或者它還要再等一會兒,一直到這信號傳輸到大腦皮層的某處並最終成為一種「精神活動」時才真正坍縮?
  • 薛丁格的貓:既死又活的貓,難以理解的糾纏態
    隨著這些年穿越電視劇的影響,蝴蝶效應和薛丁格的貓開始被大眾廣泛流傳。本篇文章就來講一講薛丁格的貓。實驗內容如果放射性物質發生衰變,粒子探測器就能接收到衰變放射出的粒子,然後發出信號讓錘子打碎裝著劇毒物質的瓶子,那麼貓就會死。如果粒子不衰變,貓就會活著。白話說明如果不打開容器觀察貓的狀態,就不能判斷這隻貓是活著還是已經死亡。那麼不能判斷貓是死是活,這個時候貓就處在既死又活的糾纏態。如果一旦觀測了,那麼貓就會只處在死亡或者存活一種狀態,這種狀態稱為本徵態。
  • 薛丁格的貓是什麼,為什麼經常有人提起?
    薛丁格的貓是奧地利物理學家薛丁格在1935年提出的一種思想實驗。
  • 薛丁格的貓——是什麼鬼?
    當然,物理學家知道它在上午或下午衰變的機率——也就是貓在上午或者下午死亡的機率。如果我們不揭開密室的蓋子,根據我們在日常生活中的經驗,可以認定,貓或者死,或者活。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。
  • 薛丁格的貓——既死又活的貓
    當時剛提出來量子力學還算是比較容易讓人接受,但是隨著不確定原理、疊加態和波函數等概念提出來後,就連愛因斯坦都不能再認可了,愛因斯坦到死都沒能認可量子力學。為什麼這些概念的提出後,大家都不能認可或者理解呢?
  • 我的世界:破解MC不科學,還原經典實驗薛丁格的貓,它會活著麼?
    正常來說,有一定的理論物理學基礎才能完全明白「薛丁格的貓」真正想表達的意思。但今天我叫Minecraft把這個理論應用到《我的世界》,以此來嘗試破解MC的不科學!我的世界:破解MC不科學,還原經典實驗薛丁格的貓,它會活著麼?我的世界:MC科學實驗篇之「薛丁格的貓」,破解MC不科學現象!
  • 薛丁格的貓又死又活了85年,從未驗證過,是實驗技術難度很大嗎?
    薛丁格的貓是一隻倒黴透頂的貓,又死又活了85年。所謂「薛丁格的貓」是奧地利物理學家埃爾溫·薛丁格,在1935年提出有關貓生死疊加的一個思想實驗,其目的是反對量子力學大師波爾、海森堡等提出的所謂「哥本哈根詮釋」。
  • 深入淺出講解薛丁格的貓
    我們先了解一下薛丁格的貓提出的背景:薛丁格的貓思想實驗在當時的量子理論派系中,薛丁格和愛因斯坦是一派現有量子力學理論並非最終的真理,它只是接近真理而已,上帝不會擲骰子決定宇宙運行,量子力學還不完善。另外一派系則是波爾、海森堡等科學家,他們則認為量子力學已經完美解釋了微觀世界的運動規律,在量子世界,一切都是不確定的,只能夠用波函數描述,而波函數的意義就是粒子運動狀態的概率統計而已。
  • 一隻既死又活的貓——通俗易懂解釋薛丁格的貓原理
    薛丁格的貓是由薛丁格提出的一種理想實驗假說。實驗中,我們在一個封閉不透明的盒子中放置一個放射性原子,一個粒子探測裝置,一隻貓,一個錘子,一個放置劇毒的瓶子。如果放射性原子發生了衰變,粒子探測器就會接收到粒子,發出信號打碎瓶子,貓必死無疑。另一種是粒子不發生衰變,貓活著。然而,實驗不能受光和其他因素的幹擾,所以人們無法查看實驗結果。這樣一來,薛丁格的貓就是一隻既死又活的貓了。人們打開盒子查看是一種宏觀活動,而實驗研究的是微觀現象。打開盒子,就會使微觀和宏觀發生錯亂。
  • 愛因斯坦與哥本哈根派之爭鹿死誰手,薛丁格的貓扮演了什麼角色?
    本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。這是一段歷史,是愛因斯坦質疑哥本哈根詮釋的一段爭論史。愛因斯坦說:「上帝不會擲骰子」;波爾說:「別去管上帝能做什麼!」這是網絡上流傳的愛因斯坦與波爾之爭的精闢語言。其實這都不是原話,但意思差不多。
  • 薛丁格的貓是指什麼,為什麼會出現「既死又活」的貓?
    貓在日常生活中特別常見,如寵物貓、叮噹貓、加菲貓等,甚至是炒到了2千塊錢的星巴克貓抓杯,然而今天我們要說的這一隻貓在科學界影響非常大,不過卻是一個不真實存在的「貓」——薛丁格的貓。
  • 上帝到底擲不擲骰子?
    而就在十年後的1915年至1916年間,愛因斯坦發表的《廣義相對論》則從理論上證明了經典物理學在高速(接近光速)宏觀物體上的不適用。它闡述了引力場,引力波,時空彎曲,黑洞等令人耳目一新的物理現象。新事物的出現總以讓人不適應的姿態出現,但經典力學與相對論終能以合作式的相互補充,而且兩者具有可用物理知識解釋論定的相同特點,人們也就慢慢就釋然了。事物的出現總會孕育令人不可思議的兩面性。就在《廣義相對論》發表期間,又一新的陣營或者說領域出現了,那便是「量子力學」。
  • 如何理解薛丁格的貓?貓到底是生是死?
    ,這便是薛丁格的貓。量子世界的這種不確定性和宏觀世界不一樣的。在量子世界,一個硬幣,既可能是正面,也可能是背面,然而,這在宏觀世界是確定的。奧地利物理學家埃爾溫·薛丁格就將這種狀態用一個實驗表現出來,這就是薛丁格的貓實驗。
  • 我的世界:MC科學實驗之「薛丁格的貓」,破解MC不科學現象!
    我的世界:破解MC不科學,還原經典實驗薛丁格的貓,它會活著麼?我的世界:MC科學實驗篇之「薛丁格的貓」,破解MC不科學現象!具體的實驗方法就是薛丁格把一隻貓放進了封閉的箱子裡,箱子裡還有一瓶放射性物質。這個放射性物質50%的機率會產生毒氣,50%的機率又不會。換言之,這隻貓既可能死,又可能活。於是這隻既死又活的貓,被稱為「薛丁格的貓」。所以今天,我們就在《我的世界》裡,用這個實驗來破解MC的不科學。
  • 愛因斯坦稱上帝不會擲骰子,薛丁格的貓卻正相反,我們究竟信誰?
    筆者:三體-小遙 愛因斯坦曾經說過:「上帝不會擲骰子。」對我們來說,這句話可能是在解釋宇宙中的一切都按照一定的規律發展,並不存在太多的隨機性,只有掌握了宇宙規律,才能更好地進行探索。這種觀念得到了大部分科學家的認可,直到一個著名的實驗出現,其實驗理念公開與愛因斯坦的觀點叫板,成功引起了人們的廣泛關注,這個實驗就是「薛丁格的貓」。該實驗通過在盒子裡面放置一隻貓和放射性物質,猜測貓在盒子內部的生死問題。對於該實驗人們得到的結論是:在盒子沒有打開之前,貓存在三種狀態,除了生死之外,還有生死疊加態。
  • 薛丁格的貓不可能存在,可是你們為何要相信它存在!
    薛丁格的貓是不存在的!在量子力學中,有一個假想實驗,叫薛丁格的貓。想必大家都聽說過,可是你仔細思考過這個問題嗎? 薛丁格的貓究竟存不存在?薛丁格的貓究竟是死還是活? 這個問題的本質是什麼?薛丁格貓是奧地利物理學者埃爾溫·薛丁格於1935年提出的一個思想實驗。
  • 克萊因瓶、莫比烏斯環、薛丁格的貓,那些你常見卻不了解的科學
    科學是推動社會的動力,而我們也認識到科學的重要性。在日常生活中,科學的影子隨處可見。因此,我們也常常能見到一些科技術語。小編選取了短視頻、書籍、談話最常提到的幾個。如果瓶頸不穿過瓶壁而從另一邊和瓶底圈相連的話,我們就會得到一個環面。