以下文章来源于墨子沙龙 ,作者王一
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作者|王一
来源|墨子沙龙
本次内容来自系列视频课程
“一说万物:现代物理学百年漫谈”
在第三讲的最后,我们来讲一点轻松而残酷的内容。
相信大家听说过哈姆雷特的内心独白:生存还是毁灭,这是一个问题。量子的状态是可以叠加的,那么除了生存和毁灭之外,是否哈姆雷特还可以有一个状态是“生存并且毁灭”呢?要回答这个问题,下面请出物理学四大神兽之一的薛定谔猫。
在一个封闭的盒子里装有一个量子仪器和一只猫,这个量子仪器,比如说是一个量子的粒子,它有一半的可能会衰变,另一半的可能则不发生衰变。如果这个粒子衰变了,就会引发一瓶毒药被打破。毒药被打破了之后,猫就会被毒死。而另有一半可能,量子衰变并没有发生,那么毒药没有被打破,猫也没有被毒死。根据量子力学,在测量之前,量子衰变有没有发生这件事情是处于一个叠加状态的,也就是说,在测量之前,该粒子处于衰变了和没有衰变的叠加状态。那是不是意味着,毒药被打破、没被打破也处于叠加状态呢?是不是猫的死还是生也处于一个叠加状态呢?
在问这个问题之前,我们先来听一听猫的观点。这个猫有意见了,说:“为什么受伤的总是我呀?你能不能找一些别的动物来做这个实验?你不要找我来做这个实验,好不好?”其实我们找猫来做这个实验是有一定的必然性的,有内因也有外因。内因是盒子对猫有致命的诱惑力,你有一个盒子,就算你不让猫进来,它也非得要钻进来帮你做这个实验。外因是猫的性情恰到好处,如果你不用猫,而找一条狗来做这个实验,会有什么样的结果呀?把狗关在盒子里,狗“汪汪……”叫了半天忽然不叫了。完了,你知道这个狗死了。所以说,你根本没有后面打开盒子的必要了。狗实在太吵了,那找一个更安静的呢,比如找一只乌龟?
乌龟进到盒子里以后,小脖一缩,缩到壳子里了。你做完实验,打开盒子的时候,看见这个乌龟缩到壳子里,你知道它是一个死乌龟,还是一个活乌龟啊?最后还是不知道,所以也不合适。
没办法,只能委屈猫来做这个实验。那么现在的问题是:这只猫到底是死猫呢,还是活猫呢,还是死猫活猫的叠加态呢?在薛定谔的时代,薛定谔不知道这个问题的答案。但是时间发展到了现代,其实我们已经可以知道这个问题的答案了。答案就是:死猫。因为这只猫就算没被毒药毒死,这么多年过去,肯定也老死了。
当然了,作为物理学工作者,我们想知道的不仅是这个答案,我们还想知道,在薛定谔的那个时候,在做实验的那个时候,这只猫到底是什么时候处于死猫和活猫的叠加态?甚至说,有没有曾经处于过这样的状态?然后,又是什么时候变成了真正的死猫或活猫呢?
这个问题就非常困难了。虽然关于量子力学的测量过程,我们有一套计算的程序,但是怎么理解量子力学的这套计算程序呢,不同的学派具有不同的解释。不同的解释里,对于这只猫什么时候从死猫和活猫的叠加态变成死猫或活猫,有不同的说法。
在这里,我就两种解释与大家讨论一下。第一种解释就是量子力学所谓的正统——哥本哈根解释。哥本哈根对量子力学是这样解释的:Shut up and Calculate,翻译成中文就是“别问,问就是算”。就是说,一些我们可以计算的问题,我们就去计算,看结果是什么;一些我们没有办法计算的问题,可能根本就没有一个物理实在存在,我们就没有这样的问题好问。
当然了,我们总是好奇的。我们不知道有没有这样一个物理存在的时候,便希望脑补一个物理存在。哥本哈根解释并没有满足我们的好奇心,还有很多其他的学派提出了其他的解释,比如著名的多世界解释。多世界解释认为,当进行了一个测量的时候,这个世界就分岔了,这个世界就变成了一个活猫的宇宙和一个死猫的宇宙所组成的平行宇宙。不仅如此,每一次有效的测量,这个世界都在分叉,最后分成了近乎无穷多个平行宇宙。当然了,这只是量子力学的一种解释而已,至于平行宇宙到底是不是真的存在,现在我们还不知道。
薛定谔猫的实验演绎到今天,已经有了非常非常多个版本,甚至还有一些经典的版本,跟量子力学无关的版本,比如,网上有一个版本叫薛定谔的“滚”——有一天,你终于鼓足了勇气去向你的女神表白。女神只说了一个字:滚!这个时候你应该怎么办?
王一:中国科学技术大学本科,中国科学院理论物理研究所博士。现任香港科技大学副教授,研究领域为理论宇宙学。近期的主要研究兴趣是将物理学中最大的物体和最小的物体联系起来,用早期宇宙的遗迹研究基本粒子物理。其他研究方向还包括早期宇宙模型、暗能量、暗物质、原初黑洞、引力波等。曾获香港大学教育资助委员会青年学者奖、被学生评选为最喜欢的教师。
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编辑|须臾