（精選）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？量子力學的理論是否完備？本文以這些問題為基礎，簡述了薛定諤貓的發(fā)展過程。以此對量子力學有簡單的理解。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)

2、一。為了描述他們的狀態(tài)，引入波函數(shù)來進行描述，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的最基本最重要的概念。量子力學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與宏觀物理學的沖突：如果僅僅從量子力學原理再加上數(shù)學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

3、個個輪廓清晰而分明的物理實在。1.2 薛定諤貓假想實驗能否將量子理論應用于宏觀的世界？愛因斯坦為代表的一方認定量子力學不是完備的理論，“上帝是不會玩骰子的”;而以哥本哈根學派領袖波爾為代表的另一方認定量子理論是正確的。薛定諤也為此感到困惑，他質(zhì)疑量子力學的哥本哈根學派的解釋，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施。設想這個原子核有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)毒氣設施，從而殺死這只貓。我們發(fā)現(xiàn)

4、整個事件的波函數(shù)竟然表達出了活貓與死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)量子力學的原理，未進行觀察時，這個原子核處于已衰變和未衰變的疊加態(tài)，因此，那只可憐的貓就應該相應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，只有當你打開盒子的時候，迭加態(tài)突然結(jié)束（在數(shù)學術語就是“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

5、現(xiàn)一個結(jié)果，這與我們觀測到的結(jié)果相符合。但有一個大的問題：它要求波函數(shù)突然坍縮。但物理學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

6、利賓指出這是基于無懈可擊的數(shù)學方程，量子力學樸實的、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，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

7、“通過左縫”和“通過右縫”兩種歷史。但我們只關心我們所關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，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

8、下去，具體到總共獲勝了幾場，具體到每場的勝負一直具體到每場的詳細比分為止。當然在現(xiàn)實中我們?nèi)钥梢岳^續(xù)“精?；?，具體到誰進了球，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，一場球最詳細的信息就是具體的比分，沒有更加詳細的了。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?shù)拇至；瘉順嫿ǚ铣ＷR的那些歷史，比如我們可以區(qū)分“勝”，“平”和“負”這三大類歷史，

9、因為它們之間已經(jīng)失去了干涉，退相干了。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系?，F(xiàn)在讓我們考慮薛定諤貓的情況：當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

10、行物質(zhì)和能量交換等等。就算是“貓死”,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也會轉(zhuǎn)化為經(jīng)典系統(tǒng)。從這個意義上，量子力學可以把經(jīng)典力學作為一種極限。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乃至更多學科的研究。在1996年，法國物理學家塞爾日·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)。但我們必須找到一種測量量子比特的方法。而當我們在思考這