为什么没有科学家做“薛定谔的猫”这个实验,有什么技术难度吗?

百科   2024-11-25 18:15   辽宁  

这是个思想实验,是薛定谔为驳斥波尔对量子领域的哲学解读所提出的一个悖论,属于哲学的范畴,而并非科学实验之列。

对于薛定谔的猫,在以波尔为代表的哥本哈根学派的解释体系中,它似乎必须处在一种奇特的生死交叠状态,这无疑是一个悖论,解决这一悖论成为了量子物理学后续进展中面临的哲学难题。

按照哥本哈根学派的哲学理念,在量子领域,物质在被观察或测量前,并非真实存在,它们仅以概率波的形式存在。只有在被观测后,概率波才会坍缩,形成经典物理学中可以识别的实体。这样的观点推而广之,就衍生出了薛定谔的猫悖论(这个悖论就是在观测前,猫处于生死叠加状态吗?),此外,还有另一个鲜为人知的悖论:

当我们不看月亮时,它是否依然存在?

在我们未曾凝望月亮时,它是否已化为一种弥散在时空中的概率波,直至我们观察到它,它才转变成经典物理学所描述的实体?

关键问题在于,是否只有人类的观察和测量才算是观察?

在哥本哈根学派的早期诠释中,波尔等量子物理学家认为确实如此。许多物理学家和爱好者至今仍持此观点。然而,在人类诞生之前,是否整个宇宙都是一种扩散的概率波?量子物理学家们对薛定谔的猫所处的生死悖论的解释是:物质间一旦相互作用,概率波便会塌缩为经典物理学中的实体,而无需一个有意识的外部观察者。猫本身即是观察者,实验装置本身能自我观察,不需要人去开箱确认猫的生死。当然,这种解释并非所有人都信服。

无论打开箱子与否,猫都不会真正处于生死叠加态,其结果是确凿的。只需抛弃那种认为只有有意识的人观察才算是观测的哲学观念即可。

在谋杀案中,只要当事人能提供自己不在现场的客观证据,那么至少可以确定死者不是其亲手所杀。至于是否雇凶,那是另一个问题。在现实世界中,你无法同时身处两地。

然而,这种直觉和经验在量子世界中遭到挑战,双缝实验似乎证明了电子同时通过两条狭缝,它们似乎真的同时处于两个位置。通过巧妙的实验设计,可以让一个系统逐个释放电子,让它们通过双缝,最终在屏幕上形成特有的干涉图案。对此的唯一解释是,每个电子都同时通过了两条缝隙。

一次性释放大量电子或光子所形成的干涉图案,可用爱因斯坦的波粒二象性来解释,即光子既是粒子也是波,波峰波谷之间的干涉形成明暗条纹。但单个电子或光子的实验同样产生类似结果,令人困惑不已。

回顾原子的构成:原子核和电子,电子围绕原子核旋转,如同行星绕恒星转动。电子呈层状排布,低能电子靠近原子核,高能电子远离。当低能电子吸收光子后会发生轨道跳跃,从内层到外层,当它返回内层时,会释放出光子。

高能光子(如X射线、伽马射线)对人体造成伤害,与电子的跃迁有关。高能光子使电子吸收能量后逃离原子核,原子或分子成为少了电子的正离子,这一过程称为电离。能引发电离的辐射,便是医院X光、CT检查室外的危险标志。

如果物理学的研究到此为止,一切将显得十分和谐。

然而,1926年,奥地利物理学家薛定谔在度假滑雪时获得启示,提出了诺贝尔物理学奖获奖方程——薛定谔波函数方程。正是这个方程,导致了曾经和谐的量子世界变得混乱不堪,并引发了顶级物理学家们的分裂,形成了以波尔和爱因斯坦为首的两大阵营,而薛定谔本人也站在了爱因斯坦一方,反对自己的波函数方程背后的哲学含义。

薛定谔波函数是一个美妙的方程,它描述了量子世界中亚原子粒子的性质和行为,以及所有可能状态,包括能量、动量和位置等信息。但薛定谔本人并未充分理解这一方程的物理学意义。他坚持认为,作为粒子的电子并不存在,波尔提出的电子轨道也不存在,电子不是一个粒子,而是一种扩散的电子波,后来被称为电子云。

薛定谔提出的电子云概念与波尔的电子轨道概念存在严重冲突。

解决这一难题的方案引发了激烈辩论,间接导致经典物理学世界观在量子世界的坍塌,因果律在这里让位于概率。按照波尔的说法,电子轨道是波函数方程中电子出现概率最大的区域。的确,电子似乎可以出现在任何地方,你可以用薛定谔波函数方程来计算它出现在任何位置的概率,但一旦对其进行观测,电子就会从无处不在的波,坍缩到一个特定位置。

根据海森堡的测不准原理,你对电子位置测量得越精确,对其动量的测量就越不准确,两者的乘积正好等于普朗克常数。一般理解是,观测行为本身会影响亚原子粒子的状态。这带来了一个哲学问题:在未观测前,电子是否具有确切的位置和动量?这正是经典物理学的观念,宏观物体的位置和动量与观察无关,是客观存在的。

但波尔的哥本哈根学派从哲学上提出,海森堡的测不准原理是量子世界的本质,当我们不观察量子世界时,电子同样不具有一个客观的具体位置和特定动量,所有这些都只是概率。

1927年的索尔维物理学会议见证了物理学家们的分裂,但这场分裂奇妙地推动了量子物理学的飞跃式发展。毕竟,对手越强大,你的胜利也就越辉煌。

那一年的物理学全明星队代表,如果三体中的智子确实存在,只需抹去这些人,我们现有的许多高端技术就会消失得无影无踪。他们是打开量子物理学大门的关键人物,但门后所见却使他们分裂成三个阵营,这反倒是一件幸事。

从普朗克开启的量子时代发展到后期,形成了三个流派:

1、只关心实验结果的实验派,以布拉格和康普顿为代表

2、哥本哈根学派,由波尔开创,波恩和海森堡为左右臂膀

3、反哥本哈根学派:爱因斯坦为领袖,德布罗意和薛定谔为左膀右臂

一位因量子物理学抛弃因果律而绝望自杀的奥地利物理学家埃仑费斯特,在这次会议上,写信告诉他的弟子们:爱因斯坦像个弹簧玩偶,每天带着新的主意(新的思想实验)从盒子里弹出来,向波尔发出质疑。而波尔总是能找到合适的工具,将爱因斯坦的思想实验一个接一个地击败。

爱因斯坦和波尔的主要分歧在于:

1、量子世界中是否存在经典物理学中的客观实在,波尔认为不存在

2、经典物理学的因果律在量子世界中是否依然适用,波尔认为不适用

爱因斯坦曾言:“上帝不掷骰子。”然而,几十年的研究表明,上帝确实在掷骰子,有时甚至将骰子扔到了看不见的地方。

新一代物理学家很快厌倦了这场哲学争辩,他们投身于量子世界的奇妙研究中,只关心实验结果,不关心结果背后的世界观。这些物理学家们取得了一系列惊人的成果,并迅速转化为现实的技术,如核弹、原子能技术、半导体、计算机等,当今我们使用的许多技术都奠基于量子物理学的发展。

而在这场争论中,爱因斯坦提出了著名的“量子纠缠”悖论。波尔的解释是:未被观察前,并没有两个分开的粒子,观察使它们成为两个粒子,因此无论它们相距多远,都是一个整体,而不是两个独立的粒子。这解决了量子纠缠悖论中信息超光速传播的难题,因为这违反了狭义相对论。

有趣的是,量子纠缠是真实的现象,随着技术的发展,这个曾经的想象已经被证实。这可能是爱因斯坦与波尔之争最宝贵的成果。有趣的是,量子纠缠现象并非由波尔为首的物理学家们首先提出。

薛定谔抓住量子纠缠不放,提出了让波尔学派尴尬的生死猫论。

波尔坚持没有观察就没有经典力学中的客观实在,以此应对爱因斯坦的量子纠缠悖论。而薛定谔则提出了著名的猫论,用那只想象中的猫的生死叠加态悖论来质疑波尔。以波尔为首的哥本哈根学派只能倔强地坚持:在观察之前,猫就是既生又死的叠加态。至于这究竟是一种什么样的体验,则是另一回事。

薛定谔的猫,这只虚拟的猫科动物,曾让无数量子物理学者陷入迷惑,就连著名的物理学家霍金也不能幸免。据说,当霍金初次得知薛定谔猫的思想实验时,他的即时反应是,抓起一把枪,终结那只令人心烦的猫的生命。

要解决这只猫生死未卜的难题,一个简单的方法是拓宽我们对观察和测量的理解。不应该只把人类的视觉接触视为有效的观测,实际上,整个实验环境自身就是一个观测者。观察,本质上是物质之间的相互影响。在这个实验中,那个检测中子是否被释放的盖革计数器,便是一个观测者,它决定了猫的生死命运。



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