薛定諤誕辰101週年,一起聊聊那隻最著名的“貓”

薛定諤誕辰101週年,一起聊聊那隻最著名的“貓”

今天,是奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤誕辰131週年,他的薛定諤方程為量子力學奠定了非常重要的基礎。

不過,對非物理愛好者來說,薛定諤最著名的,可能不是理論,而是一個思想實驗——“薛定諤的貓”。

一、什麼是量子力學?

《上帝擲骰子嗎》

薛定諤誕辰101週年,一起聊聊那隻最著名的“貓”

1. 量子力學的誕生是在20世紀初,普朗克提出了一個大膽假設:能量不是連續不斷的,而是一份一份的。能量的發射和吸收,就像是花錢,每次以幾元、幾分花出去,而且有最小面值1分錢。能量的“最小面值”,就是“量子”。

2. 在量子力學中,有一個很重要的概念,就是“不確定性”。如果不去觀測,粒子的狀態就是不確定的,觀測發生的一瞬間,粒子的狀態才會確定下來。觀測後各種狀態的出現概率是可以預測的,但是無法預測具體是什麼狀態。比如,我們無法預測電子10秒後會跑到哪裡,只能預測有哪些可能出現的位置。

3. 著名的思想實驗“薛定諤的貓”能直觀地讓人理解“不確定性”:盒子裡有一隻貓和少量放射性物質。有50%的概率,放射性物質會衰變釋放毒氣,殺死貓;也有50%的概率,放射性物質不會衰變,貓將存活。在打開盒子觀測之前,無法知道里面的情況,貓是“既活又死”的狀態。這種不確定的狀態,只在微觀層面,在宏觀世界是不存在的。

4. 可以說,量子力學是“反常識”的,它揭示出世界是不確定的。所以,當時很多物理學家都覺得量子力學理論還不完備,就連愛因斯坦都發出了“上帝不擲骰子”的感慨。後來,隨著量子力學的不斷髮展,才慢慢獲得了主流的認可。

二、量子力學是如何看待世界的?

《宇宙的結構》

薛定諤誕辰101週年,一起聊聊那隻最著名的“貓”

1. 相對論描述的宏觀宇宙中,時空是可以彎曲、拉伸的實體。時空就像一塊平整的布,各種天體就像布上放的球,會讓布面凹陷,這會影響周圍物體的運動。所以,地球圍繞太陽轉,根本原因是太陽的質量彎曲了時空,改變了地球的運行軌跡。

2. 量子力學所描述的微觀宇宙,和宏觀宇宙最大的不同就是引入了不確定性。空間極度扭曲、十分動盪,尺度越小,動盪就越劇烈。

3. 而且,不僅空間是扭曲的,微觀粒子間的作用也很奇特。一個典型的現象就是糾纏效應:隔得很遠的兩個粒子,不需要藉助其他物質,就能實時進行相互影響。好比身在美國的一個人說話,身在中國的另一個人不用通訊工具就能馬上知道。

4. 這兩種對世界的觀點,差別巨大。所以,當今物理學界普遍在尋找一種更基礎的規律,將這兩種觀點統一解釋。於是,物理學家提出了弦理論,因為它限制了微觀宇宙的最小研究尺寸,解決了微觀的動盪和宏觀世界的矛盾,有了統一宏觀和微觀宇宙理論的可能。


分享到:


相關文章: