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薛定谔的猫与新量子力学

2011-11-21 17:30 作者:苗千来源:三联生活周刊 2011年第46期
当薛定谔的猫被关在密闭的盒子里,我们是否可以在不破坏盒子的情况下探听到里面的情况,并且不破坏里面极为脆弱的叠加态?科学家们一直在做这样的尝试。

量子力学算得上是人类历史上最值得信赖的理论之一。从1900年普朗克提出量子化假说开始,如爱因斯坦、维尔纳·海森堡、欧文·薛定谔、尼尔斯·玻尔……数不清的大科学家的名字与这个理论联结在一起。量子理论不仅精确描述了在微观领域中粒子的行为,也为人们展示了一个与宏观世界截然不同的光怪陆离的世界。可是在量子力学的发展历史中,最鲜明的也最为大众所熟知的形象却不是哪一个科学家,而是一只假想出来的猫。这只恼人的猫一直在量子物理学家们的眼前晃来晃去,使科学家们不得不对自己的理论反复思索,这就是人们常常提到的“薛定谔的猫”(Schrödinger's Cat)。

欧文·薛定谔

欧文·薛定谔

100多年来量子力学的发展不停改变着人们的旧有观念,揭示了许多令前人吃惊的现象:德国物理学家马克斯·普朗克首先提出假说,原子只能在固有的频率上振动,否则物体将可以辐射出无穷的能量(即所谓的“紫外灾难”)。通过爱因斯坦和路易·德布罗意的工作,人们认识到在微观状态下,粒子呈现出波粒二象性(Wave-particle Duality),而当人们去观测时,粒子呈现出波或是粒子的性质,取决于人们用什么手段去观测粒子。更奇特的是“不确定性原理”(Uncertainty Principle),就像罗大佑唱的:“丢一个铜板轻轻地盖着猜猜她爱我不爱,那是我所不能了解的事……”海森堡的“不确定性原理”告诉人们,我们无法通过测量而精确得到一个微观粒子的位置和动量,不确定性原理并不是给出人们测量粒子位置精度的极限,而是重新定义了“位置”这个概念在物理学中的意义(超出测量最大精度的“位置”是没有意义的)。

如果说上面这几个概念人们还可以勉强接受的话,“薛定谔的猫”则至今仍然让科学家们感到不解。1935年,在爱因斯坦的启发下,著名的奥地利物理学家欧文·薛定谔提出了一个假想实验。他设想出一种荒谬的情形,一只猫被放进一个密封的盒子里,盒子里同时还有其他一些东西(必须保证这只猫碰不到这些东西):一个装有毒药的探测器和一丁点放射性物质,放射性物质因为量很少,每小时有50%的概率会有一个原子发生衰变,还有50%的概率没有原子发生衰变。如果有原子发生衰变,将会被探测器探测到,探测器就会放出毒药毒死薛定谔的猫;如果没有原子发生衰变,薛定谔的猫就会幸运地活下来。但是问题在于,在一个小时的时间内,人们并不知道密封的盒子里是否有原子发生了衰变,只有在一小时之后打开盒子进行观察测量才能知道。根据量子力学的正统学说,哥本哈根学派的解释,只有通过测量才能得到微观世界的状态,而追问在测量之前的系统是否处于这个状态,正如想知道一个粒子的“精确位置”一样,是“没有意义”的。在人们打开这个密封的盒子对盒子内部进行测量前,放射性物质处于衰变与没有衰变的“叠加态”(Superposition),这也是量子世界的特征之一。于是,这只薛定谔的猫也因此处于又死又活的“叠加态”,微观领域和宏观领域的状态就这样被联系在了一起。

一个微观粒子在未被测量的时候也处于叠加态,它可以同时处在多个位置,这种状态是由粒子的波函数(Wave Function)来描述的。当人们去测量这个粒子时,粒子的波函数发生塌缩(Collapse),这样粒子对于测量者呈现出来的是只处于其中的一个位置(同样,在量子力学的解释中,追问这个粒子在测量之前处于什么位置是没有意义的)。薛定谔通过一个假想实验巧妙地揭示了量子力学的解释中某些令人感到牵强的地方:如果说在微观世界,上帝完全是在掷骰子,一切都只能用波函数描述的概率来解释的话,那么与此直接相连的宏观物体又该呈现出什么样的状态呢?这只在理论上同时又死又活的薛定谔的猫在科学家们的眼前晃来晃去,让科学家们感到又尴尬又恼火。

 

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