淺談薛定諤貓

1、淺談薛定諤貓0 引言 薛定諤貓是1935年由著名的物理學(xué)家埃爾溫薛定諤提出的一個假想實驗，通過這個實驗對量子力學(xué)的概念提出了質(zhì)疑。經(jīng)典世界中的薛定諤貓是由大量微觀粒子組成，那么它為什么沒有波粒二象性的特征呢？量子力學(xué)的理論是否完備？本文以這些問題為基礎(chǔ)，簡述了薛定諤貓的發(fā)展過程。以此對量子力學(xué)有簡單的理解。1、薛定諤貓的由來 “誰敢跟我提起薛定諤那只該死的貓，我就去拿槍！”這是斯蒂芬霍金對薛定諤貓的評價。1.1 波粒二象性微觀的粒子既有波動性又有粒子性，諸如電子，光子等微觀粒子它們在同一個時刻既可以在這里也可以在那里，既是波又是粒子。它是波和粒子兩象的矛盾統(tǒng)一。為了描述他們的狀態(tài)，引入波函數(shù)來

2、進(jìn)行描述，微觀粒子的波動顯現(xiàn)是它運動的一種統(tǒng)計規(guī)律，因此稱此波動為概率波或概率波幅。概率波幅是量子力學(xué)的最基本最重要的概念。量子力學(xué)的精妙就是引入概率波幅（量子態(tài)）的概念，微觀世界的各種特性就源于此。量子力學(xué)完美的解釋了微觀世界的規(guī)律，但是在我們所生活的宏觀世界我們似乎難以用量子力學(xué)的原理來解釋。因為我們看不到這種量子態(tài)。用一個簡單的對比來理解量子力學(xué)與宏觀物理學(xué)的沖突：如果僅僅從量子力學(xué)原理再加上數(shù)學(xué)以及邏輯來看我們的地球時，能看到的是大量疊加的、同時發(fā)生的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是從遠(yuǎn)古的時代起就被許多小的量子事件累積而產(chǎn)生的。然而，我們現(xiàn)實中的地球隨處可見的是一個個輪廓清晰而分明的物理實在。1.2

3、 薛定諤貓假想實驗?zāi)芊駥⒘孔永碚搼?yīng)用于宏觀的世界？愛因斯坦為代表的一方認(rèn)定量子力學(xué)不是完備的理論，“上帝是不會玩骰子的”;而以哥本哈根學(xué)派領(lǐng)袖波爾為代表的另一方認(rèn)定量子理論是正確的。薛定諤也為此感到困惑，他質(zhì)疑量子力學(xué)的哥本哈根學(xué)派的解釋，于是他用一個假想的實驗來檢驗理論隱含之處，1935年他發(fā)表了薛定諤貓佯繆的文章，薛定諤貓就此誕生。所謂的薛定諤貓假想實驗：把一只貓放進(jìn)一個封閉的盒子里，然后把這個盒子連接到一個裝置，其中包含一個原子核和毒氣設(shè)施。設(shè)想這個原子核有50%的可能性發(fā)生衰變。衰變時發(fā)射出一個粒子，這個粒子將會觸發(fā)毒氣設(shè)施，從而殺死這只貓。我們發(fā)現(xiàn)整個事件的波函數(shù)竟然表達(dá)出了活貓與死

4、貓各半糾合在一起的狀態(tài)。2、薛定諤貓的詮釋2.1 哥本哈根詮釋根據(jù)量子力學(xué)的原理，未進(jìn)行觀察時，這個原子核處于已衰變和未衰變的疊加態(tài)，因此，那只可憐的貓就應(yīng)該相應(yīng)地處于死和活的疊加態(tài)。非死非活，又死又活，狀態(tài)不確定，直到有人打開盒子觀測它?？簇堃谎鄄艣Q定其生死，只有當(dāng)你打開盒子的時候，迭加態(tài)突然結(jié)束（在數(shù)學(xué)術(shù)語就是“坍縮”）實驗中的貓，可類比于微觀世界的電子。在量子理論中，電子可以不處于一個固定的狀態(tài)（0或1），而是同時處于兩種狀態(tài)的疊加（0和1）。如果把疊加態(tài)的概念用于貓的話，那就是說，處于疊加態(tài)的貓是半死不活、又死又活的。哥本哈根的幾率詮釋的優(yōu)點是：只出現(xiàn)一個結(jié)果，這與我們觀測到的結(jié)果相符

5、合。但有一個大的問題：它要求波函數(shù)突然坍縮。但物理學(xué)中沒有一個公式能夠描述這種坍縮。2.2 多世界詮釋1957年，埃弗雷特提出的“多世界詮釋”似乎為薛定諤貓找到一個合理的解釋。埃弗雷特指出兩只貓都是真實的。有一只活貓，有一只死貓，但它們位于不同的世界中。當(dāng)我們向盒子里看時，整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其余的各個方面都是全同的。唯一的區(qū)別在于其中一個版本中，原子衰變了，貓死了；而在另一個版本中，原子沒有衰變，貓還活著?！币簿褪钦f，上面說的“原子衰變了，貓死了；原子沒有衰變，貓還活著”這兩個世界將完全相互獨立地演變下去，就像兩個平行的世界一樣。格利賓指出這是基于無懈可擊的數(shù)學(xué)方程，

6、量子力學(xué)樸實的、自洽的、符合邏輯的結(jié)果。在我們生活的這個世界上，沒有隱變量，上帝不會擲骰子，一切都是真實的?！卑锤窭e所說，愛因斯坦如果還活著，他也許會同意并大大地贊揚這一個“沒有隱變量，上帝不會擲骰子”的理論。多世界詮釋的優(yōu)點是：薛定諤方程始終成立，波函數(shù)從不坍縮，由此它簡化了基本理論?？蛇@樣的設(shè)想過于離奇，這些平行的世界全都是同樣真實的。2.3 退相干理論 了解退相干對薛定諤貓的解釋我們先了解退相干歷史。 退相干歷史(DH)：我們把宇宙的歷史分得足夠精細(xì)，那么實際上每時每刻都有許許多多的精粒歷史在“同時發(fā)生”(相干)。比如沒有觀測時，電子顯然就同時經(jīng)歷著“通過左縫”和“通過右縫”兩種歷史。

7、但我們只關(guān)心我們所關(guān)心的是觀測到的電子通過左右之一的一條縫，即粗粒歷史的情況。因為互相脫散(退相干)的緣故，這些歷史之間失去了聯(lián)系，只有一種能夠被我們感覺到。按照歷史顆粒的粗細(xì)，我們可以創(chuàng)建一棵“歷史樹”。以量子聯(lián)賽來說，一個球隊在聯(lián)賽中的歷史，最粗僅僅可以分兩種：“得到聯(lián)賽冠軍”和“沒有得到聯(lián)賽冠軍”。在這個極粗的層面上，我們只具體關(guān)心有否獲得冠軍，別的一概不理，它們都將在計算中被加遍。但是我們也可以繼續(xù)“精確”下去，比如在“得到冠軍”這個分支上，還可以繼續(xù)按照勝率再區(qū)分成“奪冠并且勝率超過50%”和“奪冠但勝率不超過50%”兩個分支。類似地我們可以一直分下去，具體到總共獲勝了幾場，具體到每

8、場的勝負(fù)一直具體到每場的詳細(xì)比分為止。當(dāng)然在現(xiàn)實中我們?nèi)钥梢岳^續(xù)“精?；保唧w到誰進(jìn)了球，球場來了多少觀眾，其中多少人穿了紅衣服，球場一共長了幾根草之類。但在這里我們假設(shè)，一場球最詳細(xì)的信息就是具體的比分，沒有更加詳細(xì)的了。這樣一來，我們的歷史樹分到具體的比分就無法再繼續(xù)分下去，這最底下的一層就是“樹葉”，也稱為“最精粒歷史 ”。對于兩片樹葉來講，它們通常是互相相干的。我們無法明確地區(qū)分1:0獲勝和2:0獲勝這兩種歷史，因此也無法用傳統(tǒng)的概率去計算它們。但我們可以通過適當(dāng)?shù)拇至；瘉順?gòu)建符合常識的那些歷史，比如我們可以區(qū)分“勝”，“平”和“負(fù)”這三大類歷史，因為它們之間已經(jīng)失去了干涉，退相干了

9、。如此一來，我們就可以用傳統(tǒng)的經(jīng)典概率來計算這些歷史，這就形成了“一族”退相干歷史，只有在同一族里，我們才能運用通常的理性邏輯來處理它們之間的概率關(guān)系?，F(xiàn)在讓我們考慮薛定諤貓的情況：當(dāng)那個決定命運的原子衰變時，就這個原子本身來說，它的確經(jīng)歷著衰變和不衰變兩種可能的精粒歷史。原子本身只是單個粒子，我們忽略的東西并不多。但一旦貓被拖入這個劇情之中，我們的歷史劇本換成了貓死和貓活兩種，情況就不同了！無論是“貓死”還是“貓活”都是非常模糊的陳述，描述一只貓具體要用到1027個粒子，當(dāng)我們說“貓活”的時候，我們忽略了這只貓與外界的一切作用，比如它如何呼吸，如何與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換等等。就算是“貓死”

10、,它身上的n個粒子也仍然要和外界發(fā)生相互作用。換句話說，“貓活”和“貓死”其實是兩大類歷史的總和，就像“勝”是“1:0”，“2:0”，“2:1”等歷史的總和一樣。當(dāng)我們計算“貓死”和“貓活”之間的干涉時，我們其實窮盡了這兩大類歷史下的每一對精粒歷史之間的干涉，而它們絕大多數(shù)都最終抵消掉了?！柏埶馈焙汀柏埢睢敝g那千絲萬縷的聯(lián)系于是被切斷，它們退相干，最終只有其中的一個真正發(fā)生。薛定諤貓這樣的物體，通過退相干可以損失其整體的相干性，變成一個沒有相干性的經(jīng)典系統(tǒng)，描述其運動的量子力學(xué)也會轉(zhuǎn)化為經(jīng)典系統(tǒng)。從這個意義上，量子力學(xué)可以把經(jīng)典力學(xué)作為一種極限。3、 薛定諤貓的啟發(fā)薛定諤貓佯繆的解釋有很多，不是每一個人都是同意某一種解釋。從中引發(fā)的問題也很多，像長達(dá)了數(shù)十年的波爾愛因斯坦之爭，但正是這樣的思想交鋒。才能更加推動物理學(xué)乃至更多學(xué)科的研究。在1996年，法國物理學(xué)家塞爾日阿羅什在實驗中讓原子的“貓態(tài)”維持更長的時間，以此實現(xiàn)量子計算機的夢想，通過所謂的量子比特來解決超越普通計算機能力之外的巨大數(shù)據(jù)。但我們必