人無法同時在紐約和北京,但是量子可以!量子世界裡的鬼魅

人無法同時在紐約和北京,但是量子可以!量子世界裡的鬼魅

量子力學誕生至今已一個多世紀,但是量子力學帶給人們的困惑其實並沒有減輕,即使有那也只不過是一種適應反應!那些神秘的現象至今仍然困惑著人們!

正如,玻爾的名言:“誰要是第一次聽到量子理論時沒有感到困惑,那他一定還沒有真正開始理解量子理論。”而這些困惑當中,薛定諤的貓是諸多量子困惑中具有代表性的一個。

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1927年,德國科學海森堡在其論文中提出測不準原理。

其大致意思是,在宏觀世界裡,我們觀察一件物品,通常要藉助光照射到這件物品,然後光進行反射和散射,最後進入我們眼睛。

此時,因為光所含的動量對宏觀大質量物體產生的影響很小很小,我可以忽略,所以物體的狀態沒有發生肉眼可見的變化。

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海森堡

但是,如果我們要對電子進行這類現象的觀測,自然也得藉助光,但是光子對微觀小質量的電子就必然會產生擾動。

我們如果要對電子的位置進行越精確的測量,我們就得用波長越短的光(這種光子的動量越大),這自然對電子的擾動就越大,故測得的動量就越不精確,反之亦然。

也就是說微觀粒子的行蹤無法用觀察手段採集到。

但是,這裡面很容易與一種叫做“觀察者效應”的東西混淆。

觀察者效應的大致意思是,如果電子無法用光子測量,但是我不去測,但是電子每時每刻的位置還是真實存在的,也就是說電子的行蹤也是確定的,不確定只不過是人們的觀察手段的限制而已。

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但是,到了後來,科學家厄爾·肯納德也在同年得出海森堡類似的結果,而且他通過數學證明,微觀粒子的不確定性行為與觀察者的行為並沒有關係。

也就是說不確定是微觀粒子的固有屬性,即使不去測量也無法確定它在何處。

因為人們根據方程式可以清晰地看見,此時的微觀粒子的運動其實除了具有粒子性也具有波動性,而就像所有波的系統一樣,波的運動軌跡是無法確定的。

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粒子的波動

所以,微觀粒子運動的不確定性是粒子固有的,並不與觀察者效應有關。也正是出於這種目的考慮,現在人們在表述這一特性時,已經不再使用“測不準原理”,而改用“不確定性原理”這一稱謂。

這種現象困擾著很多科學家,也正是在這種現象的支持下,科學家對舊量子論中電子具有軌道這種思想進行了拋棄,電子不再是類似行星繞地球一樣圍繞著原子核進行運動,而是一種根本無法確定的現象,只能用出現概率來進行描述。

後來,再如,光子的衍射現象,波粒二象性等進一步研究等,新量子論(後文量子論都默指新量子論)得以奠基。

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在海森堡提出不確定性原理,玻爾提出互補原理之後,以丹麥哥本哈根為代表的學術團體正式形成。在他們的理論發展過程中,概率特性伴隨著微觀粒子的始終。

當年人們由馬克斯·玻恩所提出的波函數的概率表述發展出不確定性原理,量子理論中的概率特性便不再是猜想,而是作為一條定律而存在了。

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電子概率雲

但是,量子論卻為我們構造了一個瘋狂的世界,這和我們現實宏觀世界很不一樣。這類微觀粒子的狀態被稱作“疊加態”,即電子等粒可以同時位於幾個不同的地點,直到被觀測時,才在某處出現。

如果用宏觀世界來看的話,就好比:你在你家中是不確定的,你在家的位置如同雲霧一樣隱身其中,直到我看你一眼,你才突然間出現在客廳、餐廳、廚房、廁所、臥室等任何可能出現的地方。

這種類似通靈術的現象別說常人認為荒謬,奧地利科學家薛定諤也想不通。

於是,在這種背景下,一種佯謬就此誕生,而這個叫做薛定諤的貓的爭吵聲一直持續到了現在。

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量子論研究的是微觀粒子,但是微觀粒子是構成宏觀世界的組成成分,對此,薛定諤非常巧妙的設定了一個理想試驗,進而將微觀粒子的這種現象帶到了宏觀世界:

“假設有一隻貓被關在一個密閉空間裡,其內有食物也有毒藥。毒藥瓶子上有一個錘子,而錘子有一個電子開關控制,而電子開關由放射性原子控制。如果該原子的原子核衰變了,則會發射電子,電子進而觸動電子開關,開關被觸動,錘子就會落下,進而砸碎毒藥瓶,釋放出其內的有毒氣體,此時貓必死無疑。”

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薛定諤那隻既死又活的貓

在以上內容中,原子核的衰變是一個微觀量子論下的隨機事件,物理學家對原子核的衰變只知道半衰期,即原子核衰變一半所需要的時間。但是物理學家不知道,衰變具體發生的時間,比如,是上午,還是下午。

如果我們不揭開密室的蓋子,根據我們日常的生活經驗,可以認定,貓是死是活的概率只有50%,這是兩種本質有區別的狀態。

但是,如果用薛定諤的方程來描述薛定諤的貓,則只能說,貓處於一種既死又活得狀態。只有我們揭開蓋子的一瞬間決定(注意是決定,不是發現)貓是死是活。

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在1996年,美國科學家成功讓6個鈹離子(這個粒子比電子大很多)系統實現了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態,也就是量子力學理論中的“薛定諤貓”態。

鈹離子在第一個空間位置上處於自旋向上的狀態,而同時又在第二個空間位置上處於自旋向下的狀態,而這兩個狀態相距80納米之遙!(1納米等於1毫微米)——這在原子尺度上是一個巨大的距離。

我們可以想像這個鈹離子是個通靈大師,他可以在紐約與北京同時現身,一個他正從華爾街漫步;而另一個他則在長城上攀登!

對於薛定諤的貓這樣一種現象,科學家至今也沒有爭論出個名堂,可以說這是一個巧妙將量子論微觀世界進行宏觀世界現象的一次展示的嘗試。

關於薛定諤的貓,包括愛因斯坦在內的許多科學家都持懷疑態度,大致可以分為兩種觀點。

一種觀點認為這種將宏觀世界和微觀世界的銜接方式本身就不太現實,意思就是說,貓放入密閉空間前其實是死是活早已確定。

還有一種觀點認為,這是由於平行宇宙造成的,言下之意,在我們向盒子內觀察時,整個世界分裂二種世界狀態,即貓死了和貓活了,在量子世界中,貓通過參與選擇出自己的道路,世界沒有隱變量,上帝不會上帝不會擲骰子,一切都是真實的。

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