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為何沒有人做“薛定諤的貓”這個實驗,技術上有難度嗎?

2024-02-11 16:29:54

這是個思想實驗,是薛定諤用來反駁波爾對量子世界的哲學觀的一個悖論,屬於哲學範疇,並不屬於科學實驗的範疇。

圖示:薛定諤的貓,按照波爾為首的哥本哈根學派來說,它必然行走在奇妙的生死疊加態之中,而這顯然是個悖論,如何解決這個悖論,成為量子物理學後來發展的一個哲學難題。

在哥本哈根學派的哲學觀念中,在量子世界裡,只有被觀察/觀測之後,物質才真實存在,在未進行觀察之前,它們並不真實存在,這裡的真實是指經典物理學中那種真實,嚴格說就是在未被觀測之前,物質以機率波的形式存在,只有在進行觀察之後,機率波才會發生塌縮,塌縮成一個經典物理學上的實體。將這樣的觀念延伸出來,就會得到薛定諤的貓悖論(悖論就是在觀察之前,貓是處於生死疊加態嗎?),還會得到另一個在大眾中不太著名的另一個悖論:

當我們不看(看就是一種觀測)月亮時,月亮還存在嗎?

圖示:當我們不看月亮時,月亮也會變成一個隨機彌散在時空中的機率波嗎?只有當我們觀察它時,它才會塌縮成一個經典物理學上的實在的月亮呢?

而這裡的核心問題是,只有人類的看或測量才是觀察嗎?

在哥本哈根學派的初期解釋中,以波爾為代表的量子物理學家就是這麼理解的,包括現在許多物理學家或物理學愛好者也這麼理解這個問題,但在人類誕生之前呢?整個宇宙都是一團瀰漫的機率波嗎?現在,量子物理學家們這樣解釋貓處於即生又死的悖論問題,那就是物質和物質之間只要發生了相互作用,那麼機率波就會塌縮成一個經典物理學中的實在,並不需要一個具有主觀意識的外部觀察者,貓自己就是一個觀察者,整個薛定諤貓實驗的裝置本身就可以自己觀察自己,並不需要有一個人來開啟箱子觀察貓是死是活。當然,這樣的解釋未必能說服所有人。

圖示:不管是否開啟箱子看,貓都不會真的處於生和死的疊加態之中,結果是明確的。只要你拋棄必須由一個擁有主觀意識的人去看才算進行了觀察或觀測這樣的哲學觀念就行。

更有興趣的網友們,可以繼續往下看。

真相只有一個?

在兇殺案中,只要一個人能夠提供自己不在犯罪現場的客觀證據,那麼至少被害者就不會是這個人親手殺死的,至於是否僱兇殺人,那是另一回事。在現實世界中,你不能同時即在A地又在B地。

但這樣的經驗和直覺在量子世界中被打破了,單電子雙縫實驗,似乎就在說電子同時穿過了兩條狹縫,它就是同時處於兩個位置。透過巧妙的實驗設計,可以讓一個系統逐個釋放電子,讓這些電子透過兩條緊挨著的狹縫,最終電子會在螢幕上形成特殊的干涉圖案,對此的唯一解釋只能是,每個電子都同時地穿過了兩條狹縫。

圖示:一個接一個的釋放電子得到的圖案,和一次性的釋放大量電子得到的圖案是一樣的。

在一次性的釋放大量電子或光子中得到的干涉樣圖案,是用愛因斯坦提出的波粒二象性來解釋的,光子即是粒子又是波,它們彼此間發生波峰波谷的干涉,於是出現規律的明暗條紋。但是單光子或單電子實驗得到同樣的實驗結果,就讓人不知所措了。

讓我們回顧一下原子的構成:原子核和電子,電子繞著原子核旋轉,就像行星繞著其恆星運動一樣。而且電子分層排布,低能電子靠近原子核,高能電子遠離原子核。

當低能量電子吸收一個光子後,會發生軌道跳躍,從內層軌道跳躍到外層軌道,而當它從外層軌道躍遷回到內層軌道時,就會釋放一個光子。

圖示:電子和光子,電子的躍遷。

高能量光子(X射線,伽馬射線)傷害人體的原理也和電子的躍遷有關,如果光子能量足夠高,這個電子吸收光子能量後,甚至就能直接逃脫原子核的吸引,原子或分子就變成了少了電子的正離子,這個過程被稱為電離,能引發電離的輻射,就是醫院X光檢查、CT檢查室外面那個嚇人的標誌,電離輻射危險標誌。

如果物理學對原子的研究到此為止,那麼一切都會非常和諧。

但不幸的是,1926年,奧地利物理學家薛定諤在一次度假滑雪的時候,突然領悟“天機”,寫出了讓他得到諾貝爾物理學獎的薛定諤波函式方程,但也正是他親手寫下的這個方程,參與葬送了曾經美好、和諧的量子世界,從此讓量子世界變得光怪陸離,並且引發了當時頂級的物理學家們的大分裂,形成了兩大陣營,一個以波爾為首,另一個以愛因斯坦為首的對壘,而薛定諤自己也站在了愛因斯坦身後,反對由他自己提出的波函式方程背後隱藏著的哲學寓意。

圖示:薛定諤的波函式方程,這方程是大學物理學生的噩夢。

薛定諤的波函式是個絕妙的方程,它描述了量子世界中那些亞原子粒子的行為和屬性,以及它具有的所有可能的狀態,包含了諸如能量、動量和位置等資訊。但是薛定諤本人的確並未透徹地理解他親手寫下的波函式方程的物理學意義,他堅持認為這表明作為粒子的電子並不存在,波爾提出的電子軌道也不存在,電子不是一個粒子,電子只是一個瀰漫的電子波,後來又被稱為電子雲。

圖示:薛定諤提出的電子雲概念和波爾提出的電子軌道的概念有很大的衝突

解決這個難題的方案,引發了極大的爭論,間接導致經典物理學世界觀在量子世界的坍塌,在這裡主宰經典宏觀物理學世界的因果律讓位於機率。按照波爾的說法,電子軌道是波函式方程中電子出現機率最大的區域。但的確電子就是可以出現在任何地方,你還可以用薛定諤的波函式方程計算它們出現在任意位置的機率,但只要你對電子進行觀測,那麼它就會從無處不在的波,塌縮到某一個特定的位置上。

當然按照海森堡測不準定律,你得到的電子位置越是準確,你測量到的電子的動量就越不準確,兩者相乘恰好等於普朗克常數,一般性的理解是說,因為觀測本身就會影響到亞原子粒子的狀態。但由此帶來一個哲學問題,那麼在未觀察前呢,未觀察前電子會擁有確切的位置和確切的動量嗎?這正是經典物理學的概念,宏觀物體的位置和動量不依賴於我們的觀察,它們是客觀存在的,而波爾倡導的哥本哈根學派則從哲學上提出,海森堡測不準定律是量子世界的本性,當我們不去觀察量子世界時,電子也同樣不具有一個客觀的具體的位置和特定的動量,所有這一切都只是機率。

1927年,索爾維物理學會議,最頂尖的物理學家們分裂成三大陣營,但這次分裂奇妙地促進了量子物理學大發展,畢竟你的敵人越強,你還能贏,說明你真的很牛逼。

圖示:1927年,物理學家全明星隊代表,如果三體中的智子真的存在,它只需要抹去這些人,我們現在所擁有的大多數高階技術就會消失得無影無蹤。這些人都是開啟量子物理學大門的關鍵人物,但開門之後所見到的一切,讓他們分裂成了三個陣營,這其實是一件幸事。

從普朗克開啟的量子時代發展到後期,形成了三個流派:

1、只關心實驗結果的實驗派,以布拉格和康普頓為代表

2、哥本哈根學派,由波爾開創,波恩和海森堡為左右臂膀

3、反哥本哈根學派:愛因斯坦為領袖,德布羅意和薛定諤為左膀右臂

後來因為對量子物理學拋棄因果律,而絕望自殺的另一個奧地利物理學家埃侖費斯特,在這次會議中,寫信告訴他的弟子們:愛因斯坦就像一個彈簧玩偶,每天早上都帶著新的主意(新的思想實驗)從盒子裡彈出來,向波爾發出質疑。而玻爾總能從雲霧繚繞的哲學和物理學中找到合適的工具,把愛因斯坦的思想實驗,一個接一個的碾碎。

愛因斯坦和波爾的主要分歧就在於:

1、量子世界中是否存在經典物理學中的客觀實在,波爾認為不存在

2、經典物理學的因果律在量子世界中是否還繼續存在,波爾認為不存在

愛因斯坦老人家有句名言:上帝不擲骰子。但其後數十年的研究證實,上帝真的在擲骰子,而且有時候還把骰子扔到看不見的地方去呢。

新一代物理學家很快就厭倦了這場哲學爭論,他們積極投身到量子世界的奇妙旅程中,只關心實驗結果,不關心結果背後隱藏的世界觀的物理學家們獲得了一個又一個驚人的成果,並且迅速轉變為改變現實的技術,如核彈、原子能技術、半導體、計算機等等,如今我們使用的許多技術都奠基在量子物理學的發展之中。

但在這場論戰中,愛因斯坦提出了著名的“量子糾纏"悖論,當時波爾使用:

未觀察前並不存在兩個分開的粒子,是觀察才得到兩個粒子,因此不論這兩個粒子相隔多遠,它們都是一個整體,而不是獨立的兩個粒子,這可以解決在量子糾纏悖論中,資訊將以超光速傳播這樣的難題,因為這將違背狹義相對論。

有趣的是,量子糾纏竟然成真了,隨著技術的發展,曾經想象中的量子糾纏現象已經被證實,這大概是愛因斯坦和波爾之爭最重要的一個收穫。有趣的是量子糾纏現象不是由波爾為首的量子物理學家們想到的,這就是爭論的價值和意義了。

薛定諤揪住量子糾纏不放,提出了讓波爾為首這一學派的物理學家非常尷尬的生死貓論。

當波爾堅持用沒有觀察就是機率,就沒有經典力學中的客觀實在來應對愛因斯坦的量子糾纏悖論的時候,薛定諤提出了著名的貓論。用這隻想象中的貓的生死疊加態悖論來追問波爾,以波爾為代表的哥本哈根學派當時只能犟著脖子說:在觀察之前貓就是處於既生又死的疊加態之中。至於這個既生又死的疊加態究竟是一個什麼樣的體驗和感受,那就是另一回事了。

薛定諤的這隻貓,真的”逼瘋“了許多量子物理學家,霍金就曾經說過,當他第一次聽說薛定諤的貓悖論時,他的第一個反應就是,拿上一把槍,將這個該死的貓徹底弄死算球。

圖示:解決貓生死疊加悖論的簡單方法是擴大觀察/觀測的概念,不是說只有人去看才算數,其實整個試驗系統自己就在進行觀察,所謂觀察就是物質的相互作用,在這個實驗中,檢查中子是否釋放的蓋革計數器就是一個觀察者,而正是它決定了貓究竟是死還是活。

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