09.02 薛定諤的貓到底是什麼意思?

薛定諤設計了這麼一個思想實驗:

這事還得從索爾維說起。索爾維是一個比利時企業家,他發明了氨鹼法制純鹼,後來發現他並不是第一個發明的,不過他是第一個使得氨鹼法制純鹼工業化的,所以氨鹼法又叫做索爾維法,後來一箇中國人改進了索爾維的方法,大大提高了效率,這個中國人就是侯德榜。

索爾維發財之後,想到了一個人,沒錯,他想到的是諾貝爾,當時諾貝爾獎如日中天,蓋過了古老的科普利獎。於是索爾維也設置了一個索爾維獎,不過索爾維獎比較小氣,不是錢少,而是限定了獲獎科學家的語言,得說法語或者荷蘭語,而且還得有三名科學家推薦,推薦的科學家中必須還得有兩個比利時人,所以索爾維獎遠沒有諾貝爾獎影響大。

設科學獎玩不過諾貝爾,索爾維只好另闢蹊徑,乾脆組織武林大會,不對,是科學大會,邀請世界上最著名的科學家來研討最前端的科學問題。

索爾維首屆大會在1911年召開。這時候的索爾維大會用詩人毛潤芝的話來說就是個神仙會,白天聊聊天,晚上喝喝酒,不過這怎麼能過癮呢,於是第五屆索爾維會議主題就定為了“光子和電子”。

好戲開場了。

上帝的骰子

先上圖吧。

薛定諤的貓到底是什麼意思?

這可能是有史以來人類智慧的最高代表。牛頓爵爺別不服氣,誰叫你那時候成天不是懟這個就是滅那個,你雖然高於其中的任何一個人,可是好漢也怕人多不是。

值得一提的是小王子德布羅意,本來這位不羈少年準備去參加歷史學研討會,聽說這麼多大佬參加,預感到有大事發生,就退了火車票來參加大會。

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不羈少年德布羅意,和祖師爺普朗克比起來,這一屆顏值不行啊

玻爾卻沒有這個覺悟,以為這還是一次勝利的大會,團結的大會。玻爾這麼想也有道理,經過這麼多年的艱苦奮鬥,在普朗克和愛因斯坦還有他本人的努力下,三劍客帶領諸位英雄少年終於懟翻了爵爺,是可以總結一下了。

大會一開始,小王子德布羅意就站了出來,聲明自己並不支持量子力學的哥本哈根解釋,沒等小王子說完,就被泡利懟了回去。

泡利此人的立場頗值得玩味,他的教父是鼎鼎大名的馬赫,而愛因斯坦最尊重的就是馬赫,曾稱馬赫為老師,所以泡利也以愛因斯坦繼承人自居,也不知道他們這輩兒是怎麼算的。泡利的老師就是桃李滿天下的索末菲,此公的學生大部分都獲得了諾獎,就他本人沒有獲得,他曾經意圖修補玻爾的原子模型,而且成績斐然,不過玻爾後來徹底放棄了這個模型,所以從師承來說泡利是量子力學的大將,不過內心深處更傾慕愛因斯坦。

這邊兩人爭論未完,那邊海森堡聯手波恩又開始和薛定諤吵了起來。

海森堡和玻爾關係非常,二人情同父子,自然是無條件支持玻爾。

波恩則是撿漏大師,當初海森堡提出矩陣方程後,得意洋洋,以為自己開創了不但突破了物理學,還開創了數學的新天地,說不定可以超越玻爾,和牛頓爵爺齊名,波恩看到論文當即指出矩陣這個數學方法早就有了,並且和約爾當合作重新整理了矩陣方程,海森堡也只能無可奈何地把矩陣力學的發明權與波恩約爾當分享。

薛定諤提出波動方程後,波恩用哥本哈根的觀點解釋波動方程,就讓薛定諤非常不爽,現在波恩舊事重提,薛定諤勃然大怒,老子自己的方程自己不懂嗎?用你來解釋,再說你們的解釋純粹胡扯,老子還是相信愛因斯坦。

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風流倜儻薛定諤?

薛定諤一生放蕩不羈,號稱“物理界的段正淳”,一生情人無數,關鍵是情人之間還能和平相處,物理界的段王爺名不虛傳。傳說在寫波動方程之時,就有一位神秘情人陪在身邊,這才文思泉湧,創造了不亞於愛神奇蹟年的成就。

大家吵的不可開交,有兩個人卻一直沉默。一個是玻爾,一個是愛因斯坦。

玻爾已經感覺到了這已經不再是一個團結的大會,可是愛因斯坦還沒有發話,他自然也不能說話。

咱們來做一個實驗吧。愛因斯坦終於發言了,玻爾聽聞聳然一驚,什麼?愛因斯坦你做實驗,誰不知道你四體不勤五穀不分,老婆要是不在身邊,你連襪子都找不著,你居然肯屈尊降貴做實驗,誰信啊?

呵呵,我說的是思想實驗,愛因斯坦微微一笑,說出了著名的“愛因斯坦狹縫實驗”。

愛因斯坦設置的狹縫實驗和雙縫實驗類似,不過只有一個縫隙,對著擋板上的縫隙發射一個粒子,在穿越狹縫時,擋板會給粒子朝上或者朝下的動量,根據動量守恆定理,擋板受到的衝量就是粒子獲得的動量,只要測量擋板的衝量就可以得到粒子的動量,那麼就可以得到粒子的動量,而狹縫的寬度是可以測量的,所以,不確定性原理不正確。

愛因斯坦說罷,哈哈一笑,看了看玻爾,玻爾苦笑一聲,你說愛因斯坦啊愛因斯坦,你也算是量子論的創始人,這麼拆臺有意思嗎?再說咱倆什麼關係,連諾貝爾獎都一年得,有什麼話不會私下說嗎?

不過既然人家出招了,也得接著啊。玻爾沉吟良久,回應道,擋板也是量子系統的一部分,所以無法精確測量擋板的衝量,所以也就無法得到粒子的動量,因此必須遵守不確定性原理。

愛神的笑容慢慢凝固,衝口而出“上帝不擲骰子”,其實這才是愛神懟玻爾的真正原因,作為量子論的創始人,愛因斯坦並非反對量子力學,他只是不滿玻爾的哥本哈根解釋,愛神從根本上來說,還是承襲自牛頓的決定論者,而玻爾的哥本哈根解釋則讓決定論無處容身,和愛神的世界觀不符。

“愛因斯坦,不要教上帝怎麼做?”玻爾也生氣了,明明自己見招拆招,已經贏了,可愛因斯坦居然掀了棋盤,這算什麼人啊?

第五屆索爾維會議就這樣結束了,不過玻爾並沒有勝利的喜悅,因為他知道愛因斯坦並非易與之輩,下一屆會議一定又是一場血雨腥風。

三年後,愛神捲土重來,這次愛因斯坦沒有廢話,上來就亮出了光箱實驗,其實就是狹縫實驗的升級版。

薛定諤的貓到底是什麼意思?

光箱實驗

假設有一個充滿光子的箱子,箱子上有一個小孔,箱子內部的時鐘可以控制一個快門的開啟,快門開啟一次只能允許一個光子通過,箱子的重量可以精確測量,這樣一個光子飛出去之後,根據質能方程,就可以根據損失的質量測量出其能量,而且由於快門開關是一個常數,這樣就同時得到了光子的時間和能量,測不準原理可就失效了。

這一夜,玻爾輾轉反側,夜不能寐,如果不能破解愛因斯坦的思想實驗,那麼量子學派就土崩瓦解了。

第二天,看到玻爾的星星白髮,愛神也不禁唏噓,看來把老朋友逼慘了,早就聽說中國有一個故事叫伍子胥一夜白頭,看來是真的,中國人真牛啊。

玻爾雖然面容憔悴,卻精神抖擻地站在了愛因斯坦面前,玻爾指出,要想精確測量箱子的重量,應該用一個彈簧秤,這樣箱子重量的變化,就會造成位置的變化,就可以根據彈簧長度的變化測量出來,但是,根據廣義相對論,位置在引力場中的變化會引起時間的延長,這樣說來,兩者還是無法精確測量。

愛神一聲大叫,吐血斗升,“你這是“乾坤大挪移”?”愛因斯坦說什麼也沒有想到,玻爾居然用廣義相對論來反對他自己,“不,是“以彼之道還施彼身”,還請愛兄指教”,玻爾抹了抹頭上的冷汗,微微笑道,泡利扶起愛神,指著玻爾叫道:“你居然使用東方邪術。”“不,這不叫邪術,這是東方智慧。”海森堡站在玻爾身後說道。

“好,好,你再等我三年。”愛神推開泡利,踉蹌著向門外走去,夕陽把愛神的影子拉得很長,顯得那麼落寞。

量子幽靈

這三年來,玻爾枕戈待旦,厲兵秣馬,不敢有絲毫鬆懈,愛神雖然反對自己的理論,不過也多虧了愛神的爭論,量子力學才完善起來,第七屆大會上,愛因斯坦又會拿出什麼新花樣呢?

世事難料,這三年間,希魔出世,愛神被迫流落江湖,竟然未能出席索爾維會議,實為一大憾事。不過愛神也並沒有閒著,他已經明白,他接連兩次鎩羽而歸,關鍵是人單勢孤。

小王子雖然支持自己,無奈年少,泡利立場不明,薛定諤雖然不滿玻爾,也沒有明確支持自己,再看看玻爾這邊,海森堡簡直就是親兒子,還有波恩個老狐狸,要想戰勝玻爾,必須招兵買馬。

1935年,愛因斯坦帶著兩個小弟捲土重來,這兩個小弟是波多爾斯基和羅森,他們一同提出了EPR佯謬,EPR就是他們三人姓氏的首字母,E就是愛因斯坦。

EPR佯謬其實就是量子糾纏,主要針對的還是測不準原理。如果把一個粒子分成兩塊,一塊為A,一塊為B,他們就開始運動,過一段時間,測量A的位置,根據測不準原理,是不能測得其動量的,但是我們可以測B的動量,根據動量守恆定理,就可以知道A的動量了,那麼這麼說豈不是同時知道了A的動量和位置了。

薛定諤的貓到底是什麼意思?

說通俗點吧,假設愛因斯坦有一雙手套,一個寄給了一萬光年之外玻爾,一個自己留著,在玻爾打開快遞的同時,玻爾看到了一隻左手套,那麼玻爾就立即知道了愛神手中的是右手套,就是說玻爾在一瞬間就知道了一萬光年之外的信息,這是不可能的,因為光速不可超越。

泡利第一個跳了出來,這次終於有了報效偶像的機會了,泡利要求海森堡提出解釋,測不準原理就是海森堡提出的,他不解釋誰解釋,海森堡沉吟良久,寫了一篇草稿,想了想,扔進了廢紙簍。

薛定諤哈哈大笑,早在提出波動方程之時,愛因斯坦就稱他為“真正的天才”,兩人頗有惺惺相惜之感,再說了,這些年來,也受夠了波恩的窩囊氣,天天在耳朵邊嘟囔什麼概率波,好像自己的方程是他寫出來一樣。

薛定諤表示愛因斯坦說的有道理,不過這還不能解薛定諤的心頭之恨,乾脆火上澆油,扔出一隻不死不活的貓來噁心量子學派,這隻貓就是薛定諤送給愛因斯坦的投名狀。

薛定諤的貓到底是什麼意思?

“薛定諤的貓”假設了這樣一種情況:將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡,如果鐳發生衰變,會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子,貓就會死;如果鐳不發生衰變,貓就存活。根據量子力學理論,鐳的衰變存在幾率,放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加,貓就理應處於死和活的疊加狀態。

容器中的貓處於死和活的疊加態,要想知道貓是死還是活,觀察者必須去看一眼,這一眼就造成了波函數的塌陷,貓就不再處於疊加態,成了或死或活,決定了貓的死活,就是說觀察者的意識決定了貓的生死。能以意識決定生命的只有上帝,難道說我們每個人都是上帝?

薛定諤扔出來的這隻貓非常高明,以前玻爾一直強調量子力學說的是微觀世界,而愛神又有點老眼昏花,老用宏觀角度去看微觀,次次都被玻爾死裡逃生,而這隻貓卻是宏觀的,而控制貓的生死的方法確實是微觀的,這樣就把宏觀和微觀結合起來了。

於是,薛定諤就成了最大的贏家,他的不死不活的貓也成為物理學四大神獸之一。

對於薛定諤貓目前最流行的解釋是多世界假說,就是說在我們觀察的一瞬間,世界分裂為兩個,一個世界裡貓是死的,一個世界裡貓是活的,這個解釋卻更加恐怖,因為那一瞬間我們創造了一個世界,能創造世界的只有上帝,我們每個人居然都是上帝。

薛定諤的貓就成了目前現代物理學最大的夢魘。

但是對於直男癌患者來說,這卻是好消息,因為在猜妹子心情的時候,可以用意識再創造一個妹子出來,一個妹子溫婉可人,一個妹子嬌蠻可愛,當然如果審美情趣不一般的話,還可以創造出一個野蠻女友,完全可以憑藉意識給自己開後宮了,同樣,對於妹子來說,也可以把直男癌晚期患者的男友變成前任,憑藉意識分裂出一個暖男,不過這麼多妹子暖男,我們並不能同時感知,因為多世界之間並不能信息聯通,面對的還是那是摸不透的那個妹子和不解風情的木頭。

眼瞅著量子學派分崩離析,作為掌門人的玻爾心如湯煮,趕緊回應,再不回應,量子學派就集體追隨愛因斯坦了。

玻爾說“測量的動作會造成不可避免的物理干擾”,這是量子力學的老論調了,還是看戲劇看球賽那一套。

可是這此說不通啊,因為愛因斯坦做的是思想實驗,根本就沒有干擾的問題,就好像我們在電視前看足球比賽直播,你再怎麼喊,就算砸了你家電視,也不會影響現場效果的。

玻爾琢磨了一下,繼續說,被測量的微觀粒子和測量儀器構成一個整體,測量粒子A的位置的儀器可以測得A的位置,從而知道B的位置,但是因為不能測量A的動量,所以也就不能測得B的動量。

這個說法有些道理,但是也並沒有說服愛因斯坦。愛神和玻爾爭論了後半生,誰也沒說服誰,估計在天堂倆人還在爭論不休。之後各路高手提出了很多解釋,例如玻姆隱變量、貝爾不等式等,還有多宇宙假說,但是都沒有很好的解釋清楚。

但是結果到底是誰正確呢?愛因斯坦這次還真錯了。

物理學家嘛,說不清楚,那就做實驗,又不是那群死傲嬌的數學家,光動口不動手,實驗證明這種幽靈般的糾纏是存在的,目前最著名的就是墨子號量子衛星的量子糾纏實驗。


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