03.01 如何深入理解霍金說想拿槍打死薛定諤的貓?

丘嶽


答:不止是霍金想拿槍打死“薛定諤的貓”,每一個試圖理解量子力學的人,都有這個“衝動”。


薛定諤的貓是物理學四大神獸之一,由奧地利物理學家薛定諤,在1935年提出,這個思想實驗把微觀的不確定性,帶到了宏觀世界。



每一個試圖理解其中原理的的人,都會遇到這樣的矛盾。


量子力學非常成功的!

但是薛定諤的貓是什麼鬼?

怎麼會處於“死”與“活”的疊加呢?

可量子力學偏偏要求這隻貓又死又活!



而且這種“死”與“活”的疊加還是真實存在的!

難道量子力學錯了?

也不可能啊!

量子力學對實驗的預言從未失誤過!

而且理論預言精度高得嚇人!

實在沒有理由否定量子力學!

……

那這隻貓該怎麼解釋???

(越想越頭疼)

……

到底哪出了問題!

(實在想不通)

……

真想打死這隻貓!



……

哎呀!

不想啦!

給我一支槍吧!

……砰砰

……




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艾伯史密斯


霍金說沒說這話我不確定,不過其實薛定諤自己本來就是想讓人打死這隻貓。講這個有趣的故事之前,先得看一張照片。這是1927年在比利時布魯塞爾召開的第五屆索爾維會議,參會者合影。

我覺得旅行者號其實應該把這張照片帶上天,因為上面人類精華的密度無以倫比。參會的29人中,有17人得了諾貝爾獎,剩下的也個個是可以跟直接外星人對話級別的。

而實際上,這些大咖涇渭分明的分成兩大派,以波爾為代表的量子力學新銳派和以愛因斯坦為代表的經典物理權威派,你可以理解為魔教和正教。這個會議,其實就相當於人類理論物理的光明頂大對決!

從照片上就可以看出,泡利,海森伯,伯恩一眾魔教護法,圍繞教主波爾周圍;而薛定諤,德布羅意等正教掌門,則緊跟盟主愛因斯坦。雙方在爭論什麼呢?那就是魔教提出的量子力學理論,如此的離經叛道,到底是科學的理論,還是歪理邪說。

正教來勢洶洶,各大高手都內力深厚,但出人意料的是,在這次會議上,魔教取得了大勝,德布羅意被泡利駁倒了,薛定諤被海森堡駁倒。而在之後的每三年一屆的會議上,這場世紀大爭論還在一直延續。直接演變成雙方教主的對決,愛因斯坦力戰波爾。

在1930年的會議上,愛伊斯坦提出了精心準備了三年的,著名的光子盒的問題思想實驗,攻擊量子力學的測不準原理。波爾一開始確實被打蒙了,在會議第一天裡完全沉默。但經過一個晚上的思考,波爾以愛因斯坦自己的廣義相對論,駁倒了愛因斯坦。從此量子力學開始從邪魔外道,變成主流理論。

而包括愛因斯坦在內的正教人士們,其實還一直耿耿於懷。愛因斯坦直到去世也不認為量子力學具有完備性,一定有什麼地方不對。而薛定諤也一樣,他在1935年提出了更為著名的不死不活的貓思想實驗,主要用來攻擊量子力學的不確定性理論,在宏觀世界將會產生荒謬的推理。

其實薛定諤本人認為這樣的貓是不存在的,而波爾本人也對薛定諤的貓很頭疼。因為很明顯,宏觀世界不在量子力學的適用範圍之內,薛定諤實際上是在偷換概念。由於當時實驗條件所限,僅僅從邏輯上,又無法像駁倒愛因斯坦一樣切實的駁倒薛定諤,這可能也是為什麼霍金說要打死那隻貓的原因。不過從薛定諤的貓出發,後來又提出了平行宇宙理論,這裡就不細說了。

在量子糾纏都已經進入應用級的今天,量子力學已經成為理論物理無可爭議的正教。而各種魔教的功力,目前還遠遠達不到當年的水準。也許有一天,魔教會捲土重來,徹底顛覆我們目前的理論物理的認知。但歷史告訴今天,顛覆對人類的科學來說,永遠是天大的好事。

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羅生物語


薛定諤提出薛定諤的貓,其目的是為了否定量子力學的概率詮釋,而愛因斯坦一生都不認可量子力學的概率。愛因斯坦說"上帝不擲骰子"指的是量子力學的概率解釋存在無法理解的不合理性。愛因斯坦等人認為,量子力學的概率解釋反映了量子力學是一個不完備理論。因為物理學史上,只有那些不完備的理論,才會引入概率,如經典統計物理。我們知道,經典統計物理的不完備性來自於一種無奈:對於大量粒子,我們無法通過牛頓力學去計算出整個體系的動力學過程。正是因此,我們只能從大量粒子的整體統計性質出發來唯象地研究問題。那麼,量子力學引入的概率是否也是因為量子力學本身的不完備性所導致的呢?愛因斯坦一直認為量子力學存在不完備性。不僅是愛因斯坦,連薛定諤本人也這樣認為。為了說明量子力學存在不完備性,愛因斯坦和薛定諤先後提出了很多難題來詰難量子力學。比如說愛因斯坦提出量子糾纏來質疑量子力學,而薛定諤則提出了"薛定諤的貓"來質疑。

量子糾纏和薛定諤的貓這兩個問題對量子力學的衝擊還是很大的。我們不從實驗上來考慮薛定諤的貓,而是僅僅從量子力學理論上來考慮它。貓的死活狀態,各佔一半概率。那麼對於貓來說,它到底是死還是活?按照經典物理的觀點,貓的死活一定是確定的,要麼死要麼活,但絕對不會存在又死又活的貓。可是量子力學卻告訴我們,貓並不是處於要麼死要麼活非此即彼的狀態,而是處於既是死又是活的狀態。這是量子力學理論告訴我們的,我們不需要任何實驗就能得到與經典物理截然不同的結論。愛因斯坦一生都堅持認為,我們這個世界的狀態絕對不是量子力學所說的"疊加態"。因為他認為只要我們承認疊加態的存在,那麼概率就應該會出現。為了說明疊加態是不存在的,愛因斯坦進一步提出了量子糾纏——也就是EPR佯謬。在愛因斯坦看來,量子糾纏是違反因果律的,因此疊加態是不正確的,進而薛定諤的貓的難題就解決了。

但是,我們知道,量子糾纏客觀存在!而且實驗中早已找到了量子糾纏。這說明疊加態其實是客觀存在的。這下我們就不得不回到"薛定諤的貓"上來,這個問題該如何解決?如果說疊加態客觀存在,那麼不僅是貓,就連人都會有同樣的問題!而如果我們考察一些更加複雜的情況,比如說宇宙或者是黑洞,那麼我們要面對的是量子力學和廣義相對論相融合的問題。霍金是比較早地考慮過這個問題。設想如果宇宙也和貓一樣,是宇宙本徵態的疊加態,那麼我們也會遇到"薛定諤的貓"難題。宇宙總不能"既死又活"吧。可是我們又如何解釋呢?霍金曾一度陷入到困境之中。這就是霍金說"一聽到貓,就像掏出槍"的原因。

但是,要在注意的是,雖然宇宙也存在波函數(霍金的波函數),但它和薛定諤的貓裡的波函數(薛定諤的波函數)是兩回事情。薛定諤的波函數服從薛定諤方程,但是霍金的波函數並不服從薛定諤方程,而是服從惠勒-德維特方程。另外,薛定諤的波函數是真正的複變函數;但是霍金的波函數卻不是函數,而是泛函。這是因為薛定諤的波函數可以看成是四維時空(三維空間和一維時間)上的一個函數,但是霍金的波函數卻是一個"超空間"(即所有可能的宇宙的集族)上的泛函。

很明顯,霍金的"貓"和"薛定諤的貓"並不相同。但是卻殊途同歸!量子力學的概率波究竟是不是合理的,如何才能更加自洽地解釋概率,其實這些問題一直延續到今天。


科學聯盟


完全沒有必要爭論“貓”。概率解讀成疊加態,也不是不可以這麼理解,但這並不是量子力學的關鍵,本質是揭示微觀世界的基本運動規律——量子力學是解決這一問題的手段之一,不要過度的地解讀量子疊加態(它只不過是一種為研究方便而對微觀世界概率採取的一種解讀方式),更不要濫用至宏觀世界。雖然薛定諤提出來“貓”的思想實驗,但並不代表量子力學揭示的微觀世界原理可以同樣適用於宏觀世界。濫用量子力學來解讀宏觀世界是根本錯誤。


笑看風起雲湧花謝花開


薛定諤的貓其實就是個不可知狀態,什麼疊加都是扯淡,如果沒有疊加呢?你就可知了嗎?

按薛定諤的理論,疊不疊加,你都不可知。

而且當你觀測的話,貓的狀態有可能發生變化,這本質就是懷疑論。

其實,人類在認知宇宙中經常宇宙不可知論與不確定論即懷疑論。

但人類還是這麼過來了,不會因為不可知就不去認知,既然認知只是個側面,總比沒有認知好吧。

懷疑論是因為不確定,不確定的理論,不確定的驗證,這些都需要有理論與現實驗證為基礎來實現的。

這些都不是問題,人類也從不可知到可知,從懷疑到確定。

薛定諤的貓充其量就是個笑話,但它源自我們的無知,把無知變成有知是我們要去做的事情。

人類從地心說到日心說,再到現在的認知宇宙說。

我們多少次不可知,多少人懷疑,到現在還有懷疑的人存在,但我們也看到了很多,並沒有因為不可知與懷疑去放慢腳步。


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