03.02 薛定谔的猫:量子力学最喜欢的而又被误解最多的宠物


薛定谔的猫:量子力学最喜欢的而又被误解最多的宠物

  (图片:艺术家对薛定ding猫的描绘;Shutterstock)


有一个实验被称为薛定谔的猫,是量子力学中最著名,最被误解的概念之一。通过深思熟虑,研究人员已经获得了有关物理现实的惊人见解。




谁想到了薛定谔的猫?


根据《量子》杂志的一篇文章,帮助发现量子力学学科的奥地利物理学家欧文·薛定谔(ErwinSchrdinger)于1935年首次提出了猫的难题,作为对杰出人物爱因斯坦·爱因斯坦最初提出的问题的评论。

在发展对亚原子领域的新认识时,大多数爱因斯坦和薛定谔的同事已经意识到,量子实体表现出极其奇怪的行为。丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)倡导一种理解,即像电子这样的粒子在被测量之前并不具有明确的特性。

在此之前,粒子以所谓的状态叠加存在,例如,有50%的机会被定向为“向上”,而有50%的机会被定向为“向下”。

  

薛定谔的猫:量子力学最喜欢的而又被误解最多的宠物


爱因斯坦尤其不喜欢这种优柔寡断的解释。他想知道宇宙究竟如何知道有人正在测量某物。薛定谔用他臭名昭著的概念猫强调了这种荒谬。

薛定谔在1935年发表的一篇名为《量子力学的现状》的论文中写道,假设有人制造了一种奇怪的矛盾。该设备由一个带有密封氰化物小瓶的盒子组成,盒子上方悬挂着一个锤子,该锤子连接到Geiger计数器上,以瞄准一小块轻度放射性铀。盒子里还有一只小猫(记住,这是一个思想实验,从未真正进行过)。

盒子是密封的,实验要进行一定的时间,可能是一个小时。在那一小时内,铀的粒子服从量子力学定律,它有一定的机会发射出辐射,然后由盖革计数器吸收,然后释放锤子并砸碎小瓶,杀死猫。被氰化物中毒。

根据玻尔等人的说法,在打开盒子并“测量”猫的状态之前,它将与生死者保持叠加。爱因斯坦(Einstein)和薛定谔(Schrdinger)这样的人都拒绝这种可能性,这与我们通常的经验告诉我们的一切不符-猫是活着的还是死了,而不是同时存在。

科学记者亚当·贝克尔(Adam Becker)在他的著作《什么是真实的》(基础书籍,2018年)中写道:“量子物理学缺乏一个重要的组成部分,这是一个有关它如何与世界事物融合的故事”。“由量子物理学控制的惊人数量的原子如何引起我们所看到的世界?”


薛定谔的猫是真的吗?


薛定谔的猫触及了玻尔对现实的解释的怪异之处:在量子与日常领域之间缺乏清晰的界线。尽管大多数人认为它提供了一个示例,以支持在测量之前缺乏明确定义的属性的粒子,但薛定谔的初衷是完全相反的,即表明这种想法是荒谬的。然而,几十年来,物理学家在很大程度上忽略了这个问题,转而转向其他难题。

但是从1970年代开始,研究人员能够证明量子粒子可以在始终彼此对应的状态下产生-因此,如果一个粒子显示“向上”取向,则另一个粒子将“向下”——薛定谔称之为纠缠的现象。 这项工作已被用来支撑新兴的量子计算领域,该领域有望生产出比当前技术快得多的计算机。

  

薛定谔的猫:量子力学最喜欢的而又被误解最多的宠物


在2010年,物理学家还设法创建了薛定谔的猫的真实世界版本,尽管这种方式不得不涉及杀害小猫。加州大学圣塔芭芭拉分校的科学家建造了一个谐振器,基本上是一个很小的音叉,其大小相当于计算机屏幕上的像素大小。他们把它叠加在一个振荡中,同时又没有振荡,这表明相对较大的物体可以占据奇异的量子态。

最近的实验将最多2,000个原子的组同时放在两个不同的位置,进一步模糊了微观和宏观之间的分界线。在2019年,研究人员在格拉斯哥大学甚至设法拍照使用一种特殊的摄像头,抓拍了一张照片,每当一个光子表现出了它的纠缠伙伴纠缠光子。

尽管物理学家和哲学家尚未就如何思考量子世界达成共识,但薛定谔的见解已产生了许多卓有成效的研究途径,并有可能在可预见的未来继续这样做。




翻译:南城WJ

原文来自:https://www.livescience.com/

参考文章:《A brief, simple explanation of Schrdinger's cat.》


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