03.01 如何深入理解霍金说想拿枪打死薛定谔的猫?

丘岳


答:不止是霍金想拿枪打死“薛定谔的猫”,每一个试图理解量子力学的人,都有这个“冲动”。


薛定谔的猫是物理学四大神兽之一,由奥地利物理学家薛定谔,在1935年提出,这个思想实验把微观的不确定性,带到了宏观世界。



每一个试图理解其中原理的的人,都会遇到这样的矛盾。


量子力学非常成功的!

但是薛定谔的猫是什么鬼?

怎么会处于“死”与“活”的叠加呢?

可量子力学偏偏要求这只猫又死又活!



而且这种“死”与“活”的叠加还是真实存在的!

难道量子力学错了?

也不可能啊!

量子力学对实验的预言从未失误过!

而且理论预言精度高得吓人!

实在没有理由否定量子力学!

……

那这只猫该怎么解释???

(越想越头疼)

……

到底哪出了问题!

(实在想不通)

……

真想打死这只猫!



……

哎呀!

不想啦!

给我一支枪吧!

……砰砰

……




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艾伯史密斯


霍金说没说这话我不确定,不过其实薛定谔自己本来就是想让人打死这只猫。讲这个有趣的故事之前,先得看一张照片。这是1927年在比利时布鲁塞尔召开的第五届索尔维会议,参会者合影。

我觉得旅行者号其实应该把这张照片带上天,因为上面人类精华的密度无以伦比。参会的29人中,有17人得了诺贝尔奖,剩下的也个个是可以跟直接外星人对话级别的。

而实际上,这些大咖泾渭分明的分成两大派,以波尔为代表的量子力学新锐派和以爱因斯坦为代表的经典物理权威派,你可以理解为魔教和正教。这个会议,其实就相当于人类理论物理的光明顶大对决!

从照片上就可以看出,泡利,海森伯,伯恩一众魔教护法,围绕教主波尔周围;而薛定谔,德布罗意等正教掌门,则紧跟盟主爱因斯坦。双方在争论什么呢?那就是魔教提出的量子力学理论,如此的离经叛道,到底是科学的理论,还是歪理邪说。

正教来势汹汹,各大高手都内力深厚,但出人意料的是,在这次会议上,魔教取得了大胜,德布罗意被泡利驳倒了,薛定谔被海森堡驳倒。而在之后的每三年一届的会议上,这场世纪大争论还在一直延续。直接演变成双方教主的对决,爱因斯坦力战波尔。

在1930年的会议上,爱伊斯坦提出了精心准备了三年的,著名的光子盒的问题思想实验,攻击量子力学的测不准原理。波尔一开始确实被打蒙了,在会议第一天里完全沉默。但经过一个晚上的思考,波尔以爱因斯坦自己的广义相对论,驳倒了爱因斯坦。从此量子力学开始从邪魔外道,变成主流理论。

而包括爱因斯坦在内的正教人士们,其实还一直耿耿于怀。爱因斯坦直到去世也不认为量子力学具有完备性,一定有什么地方不对。而薛定谔也一样,他在1935年提出了更为著名的不死不活的猫思想实验,主要用来攻击量子力学的不确定性理论,在宏观世界将会产生荒谬的推理。

其实薛定谔本人认为这样的猫是不存在的,而波尔本人也对薛定谔的猫很头疼。因为很明显,宏观世界不在量子力学的适用范围之内,薛定谔实际上是在偷换概念。由于当时实验条件所限,仅仅从逻辑上,又无法像驳倒爱因斯坦一样切实的驳倒薛定谔,这可能也是为什么霍金说要打死那只猫的原因。不过从薛定谔的猫出发,后来又提出了平行宇宙理论,这里就不细说了。

在量子纠缠都已经进入应用级的今天,量子力学已经成为理论物理无可争议的正教。而各种魔教的功力,目前还远远达不到当年的水准。也许有一天,魔教会卷土重来,彻底颠覆我们目前的理论物理的认知。但历史告诉今天,颠覆对人类的科学来说,永远是天大的好事。

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罗生物语


薛定谔提出薛定谔的猫,其目的是为了否定量子力学的概率诠释,而爱因斯坦一生都不认可量子力学的概率。爱因斯坦说"上帝不掷骰子"指的是量子力学的概率解释存在无法理解的不合理性。爱因斯坦等人认为,量子力学的概率解释反映了量子力学是一个不完备理论。因为物理学史上,只有那些不完备的理论,才会引入概率,如经典统计物理。我们知道,经典统计物理的不完备性来自于一种无奈:对于大量粒子,我们无法通过牛顿力学去计算出整个体系的动力学过程。正是因此,我们只能从大量粒子的整体统计性质出发来唯象地研究问题。那么,量子力学引入的概率是否也是因为量子力学本身的不完备性所导致的呢?爱因斯坦一直认为量子力学存在不完备性。不仅是爱因斯坦,连薛定谔本人也这样认为。为了说明量子力学存在不完备性,爱因斯坦和薛定谔先后提出了很多难题来诘难量子力学。比如说爱因斯坦提出量子纠缠来质疑量子力学,而薛定谔则提出了"薛定谔的猫"来质疑。

量子纠缠和薛定谔的猫这两个问题对量子力学的冲击还是很大的。我们不从实验上来考虑薛定谔的猫,而是仅仅从量子力学理论上来考虑它。猫的死活状态,各占一半概率。那么对于猫来说,它到底是死还是活?按照经典物理的观点,猫的死活一定是确定的,要么死要么活,但绝对不会存在又死又活的猫。可是量子力学却告诉我们,猫并不是处于要么死要么活非此即彼的状态,而是处于既是死又是活的状态。这是量子力学理论告诉我们的,我们不需要任何实验就能得到与经典物理截然不同的结论。爱因斯坦一生都坚持认为,我们这个世界的状态绝对不是量子力学所说的"叠加态"。因为他认为只要我们承认叠加态的存在,那么概率就应该会出现。为了说明叠加态是不存在的,爱因斯坦进一步提出了量子纠缠——也就是EPR佯谬。在爱因斯坦看来,量子纠缠是违反因果律的,因此叠加态是不正确的,进而薛定谔的猫的难题就解决了。

但是,我们知道,量子纠缠客观存在!而且实验中早已找到了量子纠缠。这说明叠加态其实是客观存在的。这下我们就不得不回到"薛定谔的猫"上来,这个问题该如何解决?如果说叠加态客观存在,那么不仅是猫,就连人都会有同样的问题!而如果我们考察一些更加复杂的情况,比如说宇宙或者是黑洞,那么我们要面对的是量子力学和广义相对论相融合的问题。霍金是比较早地考虑过这个问题。设想如果宇宙也和猫一样,是宇宙本征态的叠加态,那么我们也会遇到"薛定谔的猫"难题。宇宙总不能"既死又活"吧。可是我们又如何解释呢?霍金曾一度陷入到困境之中。这就是霍金说"一听到猫,就像掏出枪"的原因。

但是,要在注意的是,虽然宇宙也存在波函数(霍金的波函数),但它和薛定谔的猫里的波函数(薛定谔的波函数)是两回事情。薛定谔的波函数服从薛定谔方程,但是霍金的波函数并不服从薛定谔方程,而是服从惠勒-德维特方程。另外,薛定谔的波函数是真正的复变函数;但是霍金的波函数却不是函数,而是泛函。这是因为薛定谔的波函数可以看成是四维时空(三维空间和一维时间)上的一个函数,但是霍金的波函数却是一个"超空间"(即所有可能的宇宙的集族)上的泛函。

很明显,霍金的"猫"和"薛定谔的猫"并不相同。但是却殊途同归!量子力学的概率波究竟是不是合理的,如何才能更加自洽地解释概率,其实这些问题一直延续到今天。


科学联盟


完全没有必要争论“猫”。概率解读成叠加态,也不是不可以这么理解,但这并不是量子力学的关键,本质是揭示微观世界的基本运动规律——量子力学是解决这一问题的手段之一,不要过度的地解读量子叠加态(它只不过是一种为研究方便而对微观世界概率采取的一种解读方式),更不要滥用至宏观世界。虽然薛定谔提出来“猫”的思想实验,但并不代表量子力学揭示的微观世界原理可以同样适用于宏观世界。滥用量子力学来解读宏观世界是根本错误。


笑看风起云涌花谢花开


薛定谔的猫其实就是个不可知状态,什么叠加都是扯淡,如果没有叠加呢?你就可知了吗?

按薛定谔的理论,叠不叠加,你都不可知。

而且当你观测的话,猫的状态有可能发生变化,这本质就是怀疑论。

其实,人类在认知宇宙中经常宇宙不可知论与不确定论即怀疑论。

但人类还是这么过来了,不会因为不可知就不去认知,既然认知只是个侧面,总比没有认知好吧。

怀疑论是因为不确定,不确定的理论,不确定的验证,这些都需要有理论与现实验证为基础来实现的。

这些都不是问题,人类也从不可知到可知,从怀疑到确定。

薛定谔的猫充其量就是个笑话,但它源自我们的无知,把无知变成有知是我们要去做的事情。

人类从地心说到日心说,再到现在的认知宇宙说。

我们多少次不可知,多少人怀疑,到现在还有怀疑的人存在,但我们也看到了很多,并没有因为不可知与怀疑去放慢脚步。


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