薛定谔的猫:一个物理界瞩目的“虐猫”事件

看完我的文章,别说你还不懂什么叫“薛定谔的猫”。

这可不是薛定谔的猫

1900年,马克斯·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)发布了一篇关于黑体辐射的论文,在文中提出了“量子”的假设。物理学家开始对“量子”进行研究。20世纪20年代涌现出了多位在量子力学中有杰出贡献的物理学家,他们通过实验和推算研究出“量子的行为”。其中最具代表性的有埃尔文·薛定谔和维尔纳·海森堡

猫的主人

埃尔文·薛定谔(Erwin Schrödinger),奥地利物理学家,量子力学的奠基人之一。在1925年建立波动力学,提出基于德布罗意的物质波模型的电子行为数学分析,描述各个电子的波函数都是互不相同的,并提出波函数遵循的方程式被命名为薛定谔方程式。

薛定谔为什么要养猫?

根本原因:不赞同统计或概率的方法阐述量子的行为,无法接受哥本哈根诠释。

围绕着虐猫事件,我整理出了一个时间发生的时间轴(时间轴能让我们更快看到事情的前因后果哟~)。

量子力学里程碑部分时间轴

薛定谔于1925年提出“波动力学”,同时归纳出“薛定谔方程”,假设电子是围绕原子核的波,并对电子行为进行了数学分析,描述了各个电子的波函数都是互不相同的。他从三个性质出发描述了波函数:

        1、轨道的名称表明了粒子波的能量高低;

        2、轨道的形状,球形或者其他;

        3、轨道的倾角,决定了电子对z轴的磁距。

我们可以简单的理解薛定谔对于量子运动的理解是:1、有连续的轨道轨迹;2、能量是运动轨迹的限制条件之一。

在“波动力学”发表的两年后,1927年尼尔斯·波耳(Niels Henrik David Bohr)和维尔纳·海森堡(Werner Karl Heisenberg)在哥本哈斯合作共同提出“哥本哈斯诠释”,延伸了马克斯·玻恩(Max Born)提出的波函数的几率表述,后发展为“不确定性原理”。哥本哈斯诠释中包含了几个重要的观点:

        1、一个量子系统的量子态可以用波函数来完全地表述。波函数代表一个观察者对于量子系统所知道的全部讯息;

        2、根据玻恩定则,量子系统的描述是几率性的。一个时间的几率是波函数的绝对值平方。

        3、不确定性原理阐明,在量子系统里,一个粒子的位置和动量无法同时被确定

        4、物质具有波粒二象性;根据互补原理,一个实验可以展示出物质的粒子行为或波动行为,但不能同时展示出两种行为。

        5、测量仪器是经典仪器,只能测量经典物质,像位置,动量等等。

        6、对应原理:大尺度宏观系统的量子物理行为应该近于古典行为。

根据重要观点的阐述,我们可以发现哥本哈斯诠释和波动力学的矛盾点:哥本哈斯诠释认为粒子的运动有不确定性,按概率分布,他认为波函数告诉我们粒子未来处于某种状态的可能性。

马克斯·玻恩继而提出了波函数坍缩,认为1、电子的位置可以直接测量;2、测量后的粒子将于设备的粒子相互纠缠,不能被波函数所描述。

于是乎,基于哥本哈根诠释被大部分的物理学家认同和对使用统计和概率的方法阐释量子行为的不认同,薛定谔开始虐猫了。

薛定谔的猫是怎么被虐的

基于对“哥本哈斯诠释”的怀疑,阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森在1935年发表了一篇名为《Can Quantum-mechanical Description Of Physical Reality Be Considered Complete》的论文,以佯谬的形式针对量子力学的哥本哈斯诠释而提出的早期重要批评--“ERP悖论(EPR佯谬)”。论文中通过设计思想实验,检验两个量子纠缠粒子所呈现出关联性物理行为,凸显定域实在论和量子力学完备性之间的矛盾(后于1964年约翰·贝尔提出贝尔定理,证实定域实在论不成立)。

EPR悖论凸显了量子纠缠的怪异性质:假设两个量子系统相互作用,然后彼此分离,但其中任意系统都不处于明确态,则它们的量子态将会叠加在一起,共同形成的量子态具有量子纠缠特性。根据哥本哈根诠释,当其中任意系统被测量时,这两个系统纠缠在一起的量子态会坍缩为明确态。

薛定谔同年提出了一个思想实验补充了EPR悖论,尝试通过统计与概率的角度,从宏观的角度描述微观粒子行为:假设把一只猫关在一个封闭的容器里,容器中装置有一台盖革计数器,内置入极少量放射性物质。一个小时内放射性物质发生原子衰变的几率为50%,不发生任何衰变的几率是50%。若衰变事件发生,计数器将放电并通过继电器启动一个榔头打破装有氰化氢的烧瓶。氰化氢挥发将100%毒死猫。

薛定谔的猫

根据哥本哈斯诠释,“薛定谔的猫”思想实验将解释为:当盒子仍旧封闭时,盒子里的猫处于生死叠加的模糊状态。当容器被打开被观察时,决定猫是死是活,犹豫时间结束且猫的状态不会被改变。

薛定谔通过思想实验论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解,使微观不确定原理变成宏观不确定原理,客观规律是不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。

薛定谔的猫后续

后续?不讲了。故事已经从一个《探索与发现》讲成了一个心机屌报复逆袭的故事了。但不可否认的是,杰出的物理学家们在质疑中找出问题和不断修正,极大地推进了量子力学的研究步伐。后续还涌现出了格利宾的《多世界诠释》和量子相干性,不断的为量子力学理论进行补充。补充一句,虽然海森特和薛定谔各持一方己见,但论述和试验结果都是正确的。

关于薛定谔的猫,人们已经从物理思想实验渐渐转变成了倍有逼格的词。《Bigbang》中谢耳朵甚至还使用了薛定谔的猫描述了佩妮和莱纳德的感情状态,处于50%好和50%坏的叠加状态,只要暧昧状态改变就可以决定是否适合交往了。

至于有人问为什么是猫不是狗……




以上内容引用维基百科等网络资料整理和撰写。

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