薛定谔的猫是什么意思?通俗易懂的解释

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2021年1月29日11:26:47
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薛定谔的猫是什么意思?通俗易懂的解释。薛定谔的猫是奥地利著名物理学家薛定谔提出的一个理想实验。试图阐述宏观尺度是否遵从微观尺度的量子叠加原理的问题,巧妙地把微观放射源和宏观的猫联系起来,以此证明量子力学在宏观状态下的不完备性。

薛定谔的猫是什么意思?通俗易懂的解释

随着物理学的发展,薛定谔的猫还牵引出了平行宇宙等物理问题和哲学争议。

 薛定谔的猫是什么意思?通俗易懂的解释

很多朋友会问,薛定谔的猫到底是哲学问题还是物理问题?

我们的组织结构是强政府,人们已经习惯了政府的权威带着我们思考,现在国家层面发射了量子卫星,很多人开始重视量子力学有关问题。

薛定谔的猫到底是描述了微观和宏观的差异,还是主观和客观的矛盾?其实,量子力学不是概率论。

概率论是对事件发生的可能加以评估,但事件最终可能只有一个。所以,一般人的理解是一种概率论式的理解。

从概率论来说,你认为一个事件的发生有多种可能,但最终结果只能有一个。

换而言之,你在不知道结果之前,这个事件对你而言只是一种概率,但最终结果只有一个。

量子世界不同,量子物理在承认概率的同时认为这些概率的结果是非单一的,即若干个概率结果会同时出现,也就是微观粒子存在叠加态。

这就是我们传统观念在作崇。

撇开传统意识,我们来看看薛定谔的猫,薛定谔猫的核心就是猫处于死与活的叠加状态(不是处于其中的一个状态),他是根据量子理论由原子的裂变与非裂变推论出来的。

原子的裂变与非裂变叠加状态是大家公认的实事,而猫处于死于非死的叠加状态则令大家不能接受。

这个问题曾经令许多大师难以解释。

这个思想实验的意义是,将量子理论从微观领域带到了宏观领域,而导出和一般常识相冲突的结果。

根据哥本哈根学派的解释,当观察者未打开盒子之前,猫处于一种“又死又活”的状态,该状态可以用一个波函数来描述,而波函数可由薛定谔方程解出。

一旦观察者打开盒子观察,波函数会坍塌(Collapse),猫呈现在观察者面前的只会“生”或“死”的状态之一。

这导致了对世界客观性和人意识的作用的讨论。根据多世界理论,当观察者打开盒子的一刻,世界会分裂成多个世界,而观察者只能进入众多的世界其中的一个,而观察结果就因此只有一个,猫是“生”或“死”。

而在其他世界里猫的状态会由薛定谔方程决定。其生存的概率越大,猫幸存下来而处于其中的世界的数目就越多。

薛定谔可被视为一个佯谬,由“不确定”的衰变-检测器-毒药-猫的生死构成一条因果链,将量子的不确定与宏观物质(猫的生死)的不确定性联系起来,而根据日常经验,无论我们是否观察,猫的状态必为生或死中之一。

薛定谔的猫是什么意思?通俗易懂的解释

对于斯蒂芬·霍金来说,作为牛顿在剑桥卢卡逊教席的继承人、爱因斯坦之后的物理学界盟主,如果物理学上还有什么事件让他烦恼的话,那是薛定谔的猫。“——谁敢跟我提起薛定谔那只该死的猫,我就去拿枪!”

一只猫同时又是死的又是活的?它处在不死不活的叠加态?这未免和常识太过冲突,同时在生物学角度来讲也是奇谈怪论。

如果打开箱子出来一只活猫,那么要是它能说话,它会不会描述那种死/活叠加的奇异感受?恐怕不太可能。

换言之,薛定谔猫概念的提出是为了解决爱因斯坦的相对论所带来的祖母悖论,即平行宇宙之说。

关于这只“猫”,包括爱因斯坦在内的许多非主流科学家是持怀疑态度的,他们认为:这个原因是由“平行宇宙”(MWI)造成的。

即:

当我们向盒里看时,整个世界分裂成它自己的两个版本。这两个版本在其余的各个方面都是全同的。

唯一的区别在于其中一个版本中,原子衰变了,猫死了;而在另一个版本中,原子没有衰变,猫还活着。

在量子的多世界中,我们通过参与而选择出自己的道路。在我们生活的这个世界上,没有隐变量,上帝不会掷骰子,一切都是真实的。

管他什么微观宏观主管客观,先别把这个事情看的太复杂。

本身薛定谔的这个实验就有前提条件:“盒子里的喷射毒气的装置的随机性,是不确定的,是真正的随机”你了解原实验也可以知道,机关由一个放射性原子所控制,裂变然后触动机关喷发毒气。

有50%的概率随机释放。在这个“真正的随机”的前提下,盒子关起来了,就连宇宙都不知道猫是死是活。没有任何东西知道它是死,还是活。


在这个时候,薛定谔提出,猫在盒子关上的一瞬间,既是死的,也是活的。也就是死活叠加了,听起来很怪,其实并不然。

其实,我们应该换个角度来看,也就是当你打开盒子的那一瞬间,你就是宇宙知道猫是死还是活的第一人。

通过你的眼镜,通过光速来观察,当有了观察者,是死,是活,只能有一个,另外一个概率崩塌。

薛定谔的猫本身是一个假设的概念,但随着技术的发展,人们在光子、原子、分子中实现了薛定谔猫态,甚至已经开始尝试用病毒来制备薛定谔猫态,就像刘慈欣《球状闪电》中变成量子态的人,人们已经越来越接近实现生命体的薛定谔猫。

可是另外一方面,最近人们发现量子叠加态(薛定谔猫态)本身就在生命过程中存在着,且是生物生存不可缺少的。

潘建伟们已经在这方面走得很远,所以中国自然科学奖一等奖就落到了他的头上,我国也成为世界上第一个发射量子卫星和暗物质卫星的国家。

这样说,很多朋友还是不太理解,换种说法说吧,也就是薛定鄂的猫的实验本身是薛定谔为了嘲讽同行,并强调宏观世界不存在真正的“随机”而做的。

用通俗的话说就是:宏观世界不存在随机,如果你想把微观世界的随机投影到宏观世界上而在宏观世界产生随机,就会如同盒子里的猫的实验一样,微观粒子的随机性质影响盒子中猫的死活,让盒子里的猫“既死又生”,这是不可能发生的,所以你的想法是错的。

最近,我看到一段比较有趣的解释。

薛定谔的猫是什么意思?通俗易懂的解释

这是一位名叫柊二量子力学爱好者在解释薛定谔的猫的实验时写道:这个实验是有前提条件的,就是符合量子力学的随机触发装置。

先简单介绍一下实验流程吧。

在一个封闭的盒子里,有一只猫,和一个装满毒气的装置。装置有50%的概率开启,如果开启的话,装置内的毒气会杀死盒子里的猫。

这个装置的随机性是50%的概率,不是简简单单的投一枚硬币,50%几率正面,50%几率反面这么简单。

假如你只是投一枚硬币的话,那么你的掷出力度、掷出角度、硬币旋转的线速度,空气阻力,硬币旋转产生的空气动力,甚至是硬币表面的分子分部、地球的地转偏向力,任何细微的数据全部集中在一起,经过庞大的计算的话,那么在硬币投掷出去的瞬间,得到的结果其实早已注定,根本没有所谓50%的随机性可言。

这段解释很到位,把我们很多人有关概率的疑虑说明白了(至少我这样认为)。

接着他有这样自圆其说:我们可以这样理解,投掷硬币的所有数据,都在“宇宙”的观察中,所以“宇宙”知道“装置”是否会喷射毒气,换言之,盒子里的猫是无法“量子化”的。

他解释,这个实验的核心,既不是盒子,也不是猫,而是可以产生真正的“随机”的装置。

其原理就是放射性元素的半衰期不可预测性。机关由一个放射性原子所控制,其裂变则触发机关。

这个置可以捕获“宇宙”所无法观察和计算到的随机数,并根据随机数的结果,有50%的概率将毒气释放。

他认为,在这个前提条件下,在盒子封闭起来时,猫就会处于活着和死去的叠加状态。

因为连“宇宙”都不知道盒子里的猫,是活着还是死亡。再这之后,我们人类,也是宇宙的一部分。

在我们开启盒子时,我们就充当了宇宙的“观察者”的角色。在我们开启盒子时,原本处于生死叠加状态的猫,就会通过我们的眼睛,被“宇宙”所观察。“观察者”存在时,原本包裹着猫的“概率云”就会坍塌。

根据装置给出的结果,假如装置喷射了毒气,那么叠加状态的猫的“活猫”部分,就会随着“概率云”塌缩,我们就只能观察到死去的猫。反之,如果装置没有喷射毒气,那么“死猫”就会塌缩,我们会观察到一只活着的猫。

另外,猫为什么不是宇宙的一部分呢。

首先,猫被封闭在盒子内,盒子中的随机装置将左右它的生死。所以,猫本身会被“概率云“包裹。也就是说,猫处于活着和死去相叠加。这个叠加无法互相观察。

叠加状态的”活猫“部分,认为自己一直活着。而”死猫“部分就只知道毒气喷射,随后就成为了一具尸体。

一个“装置喷射了毒气”,和“一个装置没有喷射毒气”两种截然相反的情形,在盒子里同时出现又互不干预,当盒子内的情形暴露在“宇宙”中,才会有其中一种与随机装置给出的结果不一致的情形塌缩消失。

柊二认为,这也是量子力学的魅力啊,微观世界的现象,在宏观世界投影到“猫” 身上,就是这么奇怪、纠结、和难以置信。

不知道大家看了这段解释有没有“豁然开朗”,其实,作为“观察者"来说,有人问“猫为什么不能观察自己”,关于这个问题,我们再回到盒子里,仍然是这只可怜的小猫,和一个随机装置。

这次装置连接的不再是毒气瓶了,而是连接到一个用弹射器绑着的拍子。装置内的放射性原子裂变则变成触发机关,当弹射器触发开关开的时候,拍子就会打到猫的身上,猫就会有伤痕。

然后,我们封闭盒子,耐心等待。此时盒子内,就会出现健康的猫和受伤的猫叠加的情况。

健康猫和受伤的猫无法互相观察。健康猫部分,它的经历是,被愚蠢的人类关到一个盒子里,过了一段时间后,盒子打开,它非常不耐烦的跳了出来。

受伤猫部分,它的经历是,被愚蠢的人类关到一个盒子里,盒子封闭以后,拍子达到猫身上,猫受伤了。

盒子打开后,它非常愤怒的跳出来,想办法养伤去。一个盒子里只有一只猫,盒子打开,在我们的观察中,就会有其中一只随着“概率云”塌缩。所以,只会有一只猫跳出来。

无论这只猫是健康的猫还是受伤的猫,在它们的经历经历中,都没有遇到过另一个“自己”,而是同一只猫的两种不同经历同时出现在盒子里,直到其中一种经历随着“宇宙”的观察而消失。所以,猫,无法充当观察者。

不过,这个作者提醒大家,我们的目的,并不是让人类或是任何生灵或是任何电子设备,去猜盒子里的状况。盒子想要蒙蔽的,是“宇宙”。

人类,任何生灵,任何电子设备,只是宇宙的观察者。实验有趣的地方在于盒子内的“概率云”被观察前的状态。而不是想办法在“宇宙” 知道答案之前掀开盒子看一看。

薛定谔的猫是什么意思?通俗易懂的解释

    

我想,读了这段解释,我们对薛定谔的猫更容易解读了。也明白了潘建伟和那些大师们研究这只猫的最终目的了。

我在琢磨:人和任何生灵,甚至于网络、微信,都是宇宙的一部分,它们观察到了,宇宙也就观察到了,盒子内就不再有“概率” 了,意识也就有了“主观性”。

这种主观性,在我看来,是一种巨大的反作用,在这种作用的物化下,保密性就显性了。量子通信最重要的就是保密性。但这种保密性在国家层面是可行的,如果要让量子通信走入大众生活其实也简单,当我们普通人都掌握了这种特性,我们的保密就不难了。因为,这不是一种技术。

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