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薛定諤的貓

(2019-04-26 04:10:23) 下一個

薛定諤不是薛濤、薛仁貴和薛寶釵的本家,其實他不是中國人,也不是碰巧和中國人同姓。他是奧地利物理學家,他和愛因斯坦一樣覺得量子力學不完備,和哥本哈根學派爭論不休。愛因斯坦不相信上帝會擲骰子,堅決反對波爾的量子理論,不惜同波爾鬧翻。波爾說,“上帝不僅擲骰子,而且把它拋到我們看不到的地方。”世上的事情就是這麽奇怪,正是愛因斯坦提出的光量子說,薛定諤提出的薛定諤方程幫助奠定發展了量子力學。

量子力學是物理學的一個分支,研究原子、電子等等微觀粒子的運動規律。根據量子力學理論,量子的位置是一個概率,它既可以在這裏,也可以在那裏。這個位置一旦測定,這個概率就坍塌,變成絕對,這時這個量子隻出現在人觀測到它的地方。與之相類似的還有單個量子過雙隙的奇怪現象,一個量子會從雙隙同時穿過,並且還自我幹涉成波像。量子常常處於幾種互相糾纏、互相疊加的狀態。但一經觀測,那個量子就變成粒子,隻從雙隙的其中一個縫隙穿過,變成粒子像。在我們測量之前,一個電子既可以向上旋轉,也可以向下旋轉。但當事件坍塌的時候,隻能處於一種狀態。

很明顯量子理論違背常識,似是而非,自相矛盾。對這樣的理論愛因斯坦當然不相信,那個被稱為不懂薛定諤方程的薛定諤也不相信。為了證明量子理論的荒謬性,薛定諤設想了一個試驗:把一隻可憐的小貓關在一個盒子裏,它可以是白貓、黑貓,隻要會抓老鼠就行。盒子裏有個燒瓶裝著劇毒氣體,燒瓶上麵有個榔頭,榔頭由一個原子的裂變狀況控製。如果原子裂變了,那麽榔頭就會砸破燒瓶,釋放毒氣,毒死可憐的貓。假如原子沒裂變,貓就不會死。當然這裏得假設那些裝置都能正常運作。

假如你家裏養了一隻貓,肯定不願意拿去做實驗。要是貓知道自己參與這項實驗,有可能一命嗚呼,肯定會想方設法逃走,所以箱子一定要封好,既不要讓外麵的人看見,毒氣也不能漏出來,還要透氣,要不然還沒放出毒氣貓就憋死了。顯然這樣的箱子並不好找。

原子裂變的概率為50%。從理論上來講,貓死活的概率也是50%。但根據量子理論,薛定諤的貓可以同時處在不同的狀態,它既是死的又活的,或既不死也不活,而是兩種狀態的疊加。在打開盒子觀察時,這種疊加狀態就退化為兩種清晰狀態中的一種,也隻能處於其中的一種:要麽死、要麽活。人的觀察使事件坍塌,我們絕對不能觀察到貓既是死的又是活的。

當然不打開箱子我們也可能知道貓是死還是活的,隻要搖動一下箱子,聽聽有沒有貓的叫聲或走動的聲音。要是活著應該會聽到聲音,除非你用了非常笨重的隔音的箱子。

愛因斯坦認為,在我們打開箱子之前,貓要不是死的,要不是活的,和我們有沒有打開沒有半毛錢關係,打開隻是證明了到底是死是活。

根據我們的常識我們會讚同愛因斯坦的觀點。這隻貓要不死要不活,不可能同時死同時活。這樣一類比,量子力學的微觀理論在宏觀世界就成了悖論。薛定諤設想這個實驗就是想證明不確定和疊加的荒謬性。

事實已經證明愛因斯坦和薛定諤錯了,貓既死又活,量子理論是對的,目前已被物理界廣泛接受,成了現代物理的基礎。

顯然我們的知覺影響了微觀世界的運行。沒有人的參與,沒有我們的感知,不說外部世界並不存在,至少並不確定。觀察者決定了觀察結果,這和純粹的唯心論不謀而合,早在19世紀哲學家伯克利就說了現實取決於人的觀察,存在就是被感知。

但我還是搞不清楚貓既死又活的狀態會不會存在,我現在就處於既相信又懷疑的狀態。貓有沒有意識?知不知道自己是死是活?我們和貓都是宇宙的一部分,假如貓不知道,是不是有可能我們也不知道自己是死是活?不知道自己是身在此岸還是彼岸?或者我們也是既死又活?也許別的生物觀察我們時我們也是生和死的疊加,同時處於兩種狀態?仿佛我們變成了薛定諤的貓。

在宏觀層麵上怎麽理解量子理論和薛定諤的貓?有人用懷孕來類比,做愛之後可能懷孕也可能沒懷孕。但過幾周一旦做了檢測,結果不是有就是沒有,是確定的,不再是個概率。這個類比顯然不妥,完全可以用愛因斯坦的解釋來解釋。還有人說它如同我們又悲又喜,或又愛又恨的情感,但情感不是物質。更恰當的比喻是如一個同性戀者,從人體器官上判斷是個男人,但性別上是個女人,就是說他同時是個男人也是個女人,假如我們看到他和一個同性戀人做愛,他就坍塌成一個女人。

根據量子理論,做實驗時貓有沒有在箱子裏本身是否也是概率事件?有沒有考慮到貓有九條命,不是那麽容易死?此時我聽到一條狗在叫,它是不是薛定諤的狗?會叫肯定是活的,我們可以肯定它是一條巴普洛夫的狗。

對於這個實驗我還有一個疑問,假如毒氣釋放出來了,上帝不想讓貓死,貓會死嗎?

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閱讀 ()評論 (58)
評論
LinMu 回複 悄悄話 回複 '碧藍天' 的評論 : 理工男應該知道點薛定諤的貓~~
碧藍天 回複 悄悄話 理工男還知道這麽多,純粹想氣死文科生?
你知道太多了!
嗬嗬^_^

嗬嗬^_^
LinMu 回複 悄悄話 回複 'gwangmsn' 的評論 : 現在看來是這樣,當時迷惑了很多人
gwangmsn 回複 悄悄話 回複 'LinMu' 的評論 : 我的意思是比喻是錯的硬把驢嘴塞到牛頭上,因而他的比喻是無效的
LinMu 回複 悄悄話 回複 'J_man' 的評論 : 當我們說一個人有正能量時,這個能量是無法觀測的
LinMu 回複 悄悄話 回複 'lilywanda' 的評論 : 這個太玄乎了,還有物理學家認為原子是有意識的
J_man 回複 悄悄話 意識是神經係統感知外界刺激並消化處理刺激的過程。-- J_man
所以,意識是消耗能量的過程(跑步也是個過程),不是能量。
lilywanda 回複 悄悄話 依“海牛”提到的觀點,“看,觀察”都是有能量的,可以影響量子的運動軌跡, 那麽意識也有能量也是物質的一種形式嗎?
LinMu 回複 悄悄話 回複 '海牛' 的評論 : 我覺得能量是以量子為單位一個量級一個量級地發出來的。
海牛 回複 悄悄話 把一滴水不斷地分割下去,所能得到的最小的、仍然還能稱為水的單位是 (水)分子。如果再繼續分下去,就不再是水了,而是構成水分子的原子了。當然,原子還可以分成原子核和電子,等等。量子則是另一種分法的結果,是指把能量不斷地分割所能得到的最小的能量單位。好像物理界已經公認,能量是以量子為單位一個顆粒一個顆粒地離散地發出來的。有一種比較通俗的說法,認為因為一個量子的能量實在是太微小了,任何一點點的外力,譬如哪怕是看它一眼 (觀察一下),就立馬改變了它的原來的狀態。
LinMu 回複 悄悄話 回複 '喜清靜' 的評論 : 歧視文科生,該當何罪~~
喜清靜 回複 悄悄話 回複 'LinMu' 的評論 : 哈哈,這就對了。這麽聰明的人當然應該是理工男。
J_man 回複 悄悄話 siverbug,about EU,check this:
youtubeDOTcom/watch?v=Uzw6s4nbTZA&t=651s
LinMu 回複 悄悄話 回複 'gwangmsn' 的評論 : 薛定諤在宏觀上做類比想說明量子理論的荒謬
LinMu 回複 悄悄話 回複 'jw2009' 的評論 : 說明了物理世界的多樣性和複雜性。相對論的數學表達又是那麽簡單而美麗
LinMu 回複 悄悄話 回複 'silverbug' 的評論 :人類對這個世界的認識將永遠在不斷發現、不斷修正的路上。+1.物理學就是不斷提出新的理論,做出新的預測,遇到新的挑戰,提出更新的理論,產生新的突破。
建立終極統一理論,是一代又一代物理學家的夢想,至今還有物理學家想統一自然界中的四種基本相互作用。
gwangmsn 回複 悄悄話 回複 'jw2009' 的評論 : 其實這些都很扯,硬是要把微觀的量子和巨觀的貓址在一起是無意義的.疊加的狀態隻存在於量子世界.而貓根本沒有生與死的疊加的狀態
jw2009 回複 悄悄話 如果在薛定諤的盒子裏加入一個記錄裝置,記錄貓的生死狀態,把結果聯線到盒子外的磁帶上。。

雙縫實驗告知:如果人們在開啟盒子之前看一看磁帶上的記錄和不看這些記錄,結果可能完全不一樣。。

所以,物理世界的本質沒人懂,很可能永遠無法懂。。
silverbug 回複 悄悄話 回複 'LinMu' 的評論 :
BTW,我喜歡物理學家Freeman Dyson的講座,解釋得比較經典。 祝博主周末愉快!
silverbug 回複 悄悄話 回複 'J_man' 的評論 :
把量子理論的適用邊界擴展到整個宇宙還是有不少人在做的,比如霍金。 你說的這個EU理論很小眾啊,怎麽網上幾乎查不到多少內容。 引入“暗物質”的概念既然可以讓現有的理論自洽,無妨先用著,沒有不帶ad hoc的物理學,人類對這個世界的認識將永遠在不斷發現、不斷修正的路上。
LinMu 回複 悄悄話 回複 'J_man' 的評論 : 用最美的數學方程式來描述這個世界
LinMu 回複 悄悄話 回複 'lilywanda' 的評論 : 以為量子理論是萬能的~~
LinMu 回複 悄悄話 回複 'cxyz' 的評論 : 是宇宙複雜還是你複雜~~
J_man 回複 悄悄話 統一是有內在需要的,不統一是很難受的。因為無論宏觀還是微觀,都是統一世界的一個部分,需要一個統一的理論來解釋。這個解釋也可以是搞明白為什麽兩者不同。
lilywanda 回複 悄悄話 “LinMu” “ J-Man” 的回答就解決了,量子力學 - 微觀, 經典力學 - 宏觀。為什麽一定要找一個萬能的理論解釋一切?世界本身就是這樣的,難不成在物理學裏也找個上帝理論包攬所有? 還有人把量子現象引申到生物體,宗教等方麵。
cxyz 回複 悄悄話 又談物理學了,我太複雜,我需要看第二遍的:)
LinMu 回複 悄悄話 回複 'J_man' 的評論 : 很多物理學家接受暗物質假設,還因為它可以解釋宇宙中的一些現象。這個宇宙確實很複雜,不斷有物理學家提出新理論
LinMu 回複 悄悄話 回複 'lilywanda' 的評論 : 量子力學適用於微觀世界,經典物理應用於宏觀世界
J_man 回複 悄悄話 局限性是肯定的。微觀尺度看不見,隻能用儀器來探測,或將其撞碎,通過軌跡來研究到底是什麽。錯誤就在於,有些人將看不見摸不著隻能管窺若幹性狀的粒子規律,直接推導為掌管全宇宙的規律。
宏觀尺度也一樣,萬有引力的方程對星係的旋轉根本對不上號,所以就把“暗物質”的概念硬塞進來,才能自圓其說。有學說表示隻需要改動引力方程,這樣就不需要什麽“暗物質”了。EU(Electric Universe theory)直接否定引力,用電磁力解釋整個宇宙,星係中心不是黑洞,而是iron plasma 組成的‘甜麵圈’。
lilywanda 回複 悄悄話 能不能這樣解釋,任何物理理論都有局限性,或者說客觀規律作用的範圍。量子力學作用於微觀世界。就像萬有引力適用於宏觀天體。
LinMu 回複 悄悄話 回複 '囫圇' 的評論 : 我們的一生就是從不穩定狀態向穩定狀態逼近~~
LinMu 回複 悄悄話 回複 'silverbug' 的評論 : 相對論中運動的物體處於低速運動狀態時就是傳統的牛頓力學。要是經典物理成為量子理論的特殊狀態,量子理論就很完備
LinMu 回複 悄悄話 回複 '大醬風度' 的評論 : 我的伯克利是你的貝克萊(George Berkeley)~~
囫圇 回複 悄悄話 我從來不同意這個貓理論,因為死亡是穩定態,而生存是不穩定態,從不穩定狀態變為穩定狀態後就變不回去了,這裏麵也不存在半生半死的中間狀態。
silverbug 回複 悄悄話 “當你不看月亮的時候,月亮還在那裏。” 其實這一點波爾也不會否認。 量子力學有它的適用範圍,哥本哈根詮釋雖然有局限,但至今依然是最好的解釋。以我個人淺見,不管是經典物理範疇,還是量子範疇,deterministic or non-deterministic, 都是科學,“獨立於觀察以外的事實”屬於形而上話題,不必深慮。
大醬風度 回複 悄悄話 當年被克萊有句名言: 存在就是被感知。這量子理論不就是證明這種唯心論是正確的嗎
LinMu 回複 悄悄話 回複 'jw2009' 的評論 : 這是哲學問題,唯心論和唯物論爭吵了幾個世紀,在量子力學出現之前,似乎唯物論勝利了,現在又是公婆之間的論爭。愛因斯坦的觀點是機械決定論。在沒有更好的理論出現之前,我們隻能接受量子理論。而機械決定論無法描述量子的運動規律。
LinMu 回複 悄悄話 回複 '雪中梅' 的評論 : 腦洞打開~~
LinMu 回複 悄悄話 回複 'passerby2016' 的評論 : 現在物理學還無法描述個體微觀物質的運動規律,隻能知道它們的概率分布。知道了概率分布,我們就可以解釋很多現象。當然有的物理學家並不滿足,希望他們能找到新理論。
jw2009 回複 悄悄話 這場爭論的焦點:究竟什麽是‘實在’,有沒有能獨立於觀察而存在的‘客觀實在‘。

愛因斯坦認為‘客觀實在‘是有的,當他不看月亮的時候,他相信月亮還在那裏。。

哥本哈根學派認為,量子世界在被觀察以前隻是一個概率,由薛定諤的波動方程描述。隻有當人們進行觀察時,觀察使得薛定諤的波動方程落實了(collapse the wave function). 即我們看到的結果原則上是由概率和觀察共同決定的,不存在一個原則上與觀察無關的客觀實在。

或者換句話說,人類對‘實在’的描述將隻能被界定在觀察上。。用古希臘哲學家伯拉圖的話說,我們能看到的永遠隻能是影子。。
雪中梅 回複 悄悄話 很高深的探討,好難。欣賞和學習了。平安是福。
passerby2016 回複 悄悄話 回複 'passerby2016' 的評論 : 觀察當然可以由儀器來做,結果還是需要人來解釋。誰都知道貓隻是用來解釋量子理論
That is not the point. Is there a way to observe (by machine) a photon without interfering its behavior? Interpretation does not influence the result of the experiment.
LinMu 回複 悄悄話 回複 'passerby2016' 的評論 : 觀察當然可以由儀器來做,結果還是需要人來解釋。誰都知道貓隻是用來解釋量子理論
LinMu 回複 悄悄話 回複 'oldnash' 的評論 : 謝謝糾正
LinMu 回複 悄悄話 回複 '喜清靜' 的評論 : 理工男
LinMu 回複 悄悄話 Gerard 't Hooft也認為量子理論是20世紀最偉大的物理發現,他隻是對概率解釋不太滿意
LinMu 回複 悄悄話 回複 '來罘' 的評論 : 愛因斯坦晚年研究統一場論,現在一直還有物理學家想統一量子力學和相對論。霍金結合量子理論和廣義相對論得出黑洞會有輻射
LinMu 回複 悄悄話 回複 '主流媒體' 的評論 : 隻是不同的解釋而已
LinMu 回複 悄悄話 回複 'ARooibosTea' 的評論 : 是,生死懸於一線。茶兒喜歡潛水?
LinMu 回複 悄悄話 回複 '碧藍天' 的評論 : 薛定諤的貓命運比較悲慘~~
passerby2016 回複 悄悄話 作者是文科,是! Proof: 1. 薛定諤是奧地利人. 2. 觀察 ^= 人的觀察. 3. 量子理論是對的 ^= 貓既是死的又活的.
oldnash 回複 悄悄話 薛定諤是奧地利人,
喜清靜 回複 悄悄話 一直以為詩人是文科教授,是嗎?
J_man 回複 悄悄話 薛的貓論和“觀察者決定了觀察結果”的理論近年來引發很多討論,越來越多的科學家站出來將之否定。
1,The Flaws of Quantum Mechanics | Full Interview | Gerard 't Hooft
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Winner of the nobel prize for physics, Gerard 't Hooft explains the challenges for Quantum Mechanics in the 21st century.

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來罘 回複 悄悄話 大量科學假說向理論轉化的實踐告訴我們,悖論標識的是人類認知的邊界,而非事實。感覺用薛定諤的貓來解釋量子現象很象當年托勒密的地心說,既複雜又無法通過人類的理性批判,它更接近上帝之手。在不遠的將來,應該會有一個加利略,站在愛因斯坦的肩膀上,給出一個更接近真理的假說。
主流媒體 回複 悄悄話 愛因斯坦當然是對的,客觀事實隻有一種,與觀察者沒有關係。

“這個位置一旦測定,這個概率就坍塌,變成絕對,這時這個量子隻出現在人觀測到它的地方。”

概率是對將來的描述,測定是對過去的描述,怎能混淆在一起。

薛定諤的貓很簡單,對於將來概率發生,可能死,可能生,一旦發生成為過去,事實隻有一種,死或生。
ARooibosTea 回複 悄悄話 建議讓寫”Diving Into” 作者Phillip Finch 來研究貓的生與死並存狀態。
碧藍天 回複 悄悄話 貓有九條命呢!
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