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人无法同时在纽约和北京,但是量子可以!量子世界里的鬼魅

量子力学诞生至今已一个多世纪,但是量子力学带给人们的困惑其实并没有减轻,即使有那也只不过是一种适应反应!那些神秘的现象至今仍然困惑着人们!

正如,玻尔的名言:“谁要是第一次听到量子理论时没有感到困惑,那他一定还没有真正开始理解量子理论。”而这些困惑当中,薛定谔的猫是诸多量子困惑中具有代表性的一个。

人无法同时在纽约和北京,但是量子可以!量子世界里的鬼魅

1927年,德国科学海森堡在其论文中提出测不准原理。

其大致意思是,在宏观世界里,我们观察一件物品,通常要借助光照射到这件物品,然后光进行反射和散射,最后进入我们眼睛。

此时,因为光所含的动量对宏观大质量物体产生的影响很小很小,我可以忽略,所以物体的状态没有发生肉眼可见的变化。

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海森堡

但是,如果我们要对电子进行这类现象的观测,自然也得借助光,但是光子对微观小质量的电子就必然会产生扰动。

我们如果要对电子的位置进行越精确的测量,我们就得用波长越短的光(这种光子的动量越大),这自然对电子的扰动就越大,故测得的动量就越不精确,反之亦然。

也就是说微观粒子的行踪无法用观察手段采集到。

但是,这里面很容易与一种叫做“观察者效应”的东西混淆。

观察者效应的大致意思是,如果电子无法用光子测量,但是我不去测,但是电子每时每刻的位置还是真实存在的,也就是说电子的行踪也是确定的,不确定只不过是人们的观察手段的限制而已。

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但是,到了后来,科学家厄尔·肯纳德也在同年得出海森堡类似的结果,而且他通过数学证明,微观粒子的不确定性行为与观察者的行为并没有关系。

也就是说不确定是微观粒子的固有属性,即使不去测量也无法确定它在何处。

因为人们根据方程式可以清晰地看见,此时的微观粒子的运动其实除了具有粒子性也具有波动性,而就像所有波的系统一样,波的运动轨迹是无法确定的。

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粒子的波动

所以,微观粒子运动的不确定性是粒子固有的,并不与观察者效应有关。也正是出于这种目的考虑,现在人们在表述这一特性时,已经不再使用“测不准原理”,而改用“不确定性原理”这一称谓。

这种现象困扰着很多科学家,也正是在这种现象的支持下,科学家对旧量子论中电子具有轨道这种思想进行了抛弃,电子不再是类似行星绕地球一样围绕着原子核进行运动,而是一种根本无法确定的现象,只能用出现概率来进行描述。

后来,再如,光子的衍射现象,波粒二象性等进一步研究等,新量子论(后文量子论都默指新量子论)得以奠基。

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在海森堡提出不确定性原理,玻尔提出互补原理之后,以丹麦哥本哈根为代表的学术团体正式形成。在他们的理论发展过程中,概率特性伴随着微观粒子的始终。

当年人们由马克斯·玻恩所提出的波函数的概率表述发展出不确定性原理,量子理论中的概率特性便不再是猜想,而是作为一条定律而存在了。

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电子概率云

但是,量子论却为我们构造了一个疯狂的世界,这和我们现实宏观世界很不一样。这类微观粒子的状态被称作“叠加态”,即电子等粒可以同时位于几个不同的地点,直到被观测时,才在某处出现。

如果用宏观世界来看的话,就好比:你在你家中是不确定的,你在家的位置如同云雾一样隐身其中,直到我看你一眼,你才突然间出现在客厅、餐厅、厨房、厕所、卧室等任何可能出现的地方。

这种类似通灵术的现象别说常人认为荒谬,奥地利科学家薛定谔也想不通。

于是,在这种背景下,一种佯谬就此诞生,而这个叫做薛定谔的猫的争吵声一直持续到了现在。

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量子论研究的是微观粒子,但是微观粒子是构成宏观世界的组成成分,对此,薛定谔非常巧妙的设定了一个理想试验,进而将微观粒子的这种现象带到了宏观世界:

“假设有一只猫被关在一个密闭空间里,其内有食物也有毒药。毒药瓶子上有一个锤子,而锤子有一个电子开关控制,而电子开关由放射性原子控制。如果该原子的原子核衰变了,则会发射电子,电子进而触动电子开关,开关被触动,锤子就会落下,进而砸碎毒药瓶,释放出其内的有毒气体,此时猫必死无疑。”

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薛定谔那只既死又活的猫

在以上内容中,原子核的衰变是一个微观量子论下的随机事件,物理学家对原子核的衰变只知道半衰期,即原子核衰变一半所需要的时间。但是物理学家不知道,衰变具体发生的时间,比如,是上午,还是下午。

如果我们不揭开密室的盖子,根据我们日常的生活经验,可以认定,猫是死是活的概率只有50%,这是两种本质有区别的状态。

但是,如果用薛定谔的方程来描述薛定谔的猫,则只能说,猫处于一种既死又活得状态。只有我们揭开盖子的一瞬间决定(注意是决定,不是发现)猫是死是活。

人无法同时在纽约和北京,但是量子可以!量子世界里的鬼魅

在1996年,美国科学家成功让6个铍离子(这个粒子比电子大很多)系统实现了自旋方向完全相反的宏观量子叠加态,也就是量子力学理论中的“薛定谔猫”态。

铍离子在第一个空间位置上处于自旋向上的状态,而同时又在第二个空间位置上处于自旋向下的状态,而这两个状态相距80纳米之遥!(1纳米等于1毫微米)——这在原子尺度上是一个巨大的距离。

我们可以想像这个铍离子是个通灵大师,他可以在纽约与北京同时现身,一个他正从华尔街漫步;而另一个他则在长城上攀登!

对于薛定谔的猫这样一种现象,科学家至今也没有争论出个名堂,可以说这是一个巧妙将量子论微观世界进行宏观世界现象的一次展示的尝试。

关于薛定谔的猫,包括爱因斯坦在内的许多科学家都持怀疑态度,大致可以分为两种观点。

一种观点认为这种将宏观世界和微观世界的衔接方式本身就不太现实,意思就是说,猫放入密闭空间前其实是死是活早已确定。

还有一种观点认为,这是由于平行宇宙造成的,言下之意,在我们向盒子内观察时,整个世界分裂二种世界状态,即猫死了和猫活了,在量子世界中,猫通过参与选择出自己的道路,世界没有隐变量,上帝不会上帝不会掷骰子,一切都是真实的。

来源: 蚊知

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