看完我的文章,別說你還不懂什么叫“薛定諤的貓”。
1900年,馬克斯·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)發布了一篇關于黑體輻射的論文,在文中提出了“量子”的假設。物理學家開始對“量子”進行研究。20世紀20年代涌現出了多位在量子力學中有杰出貢獻的物理學家,他們通過實驗和推算研究出“量子的行為”。其中最具代表性的有埃爾文·薛定諤和維爾納·海森堡。
貓的主人
埃爾文·薛定諤(Erwin Schr?dinger),奧地利物理學家,量子力學的奠基人之一。在1925年建立波動力學,提出基于德布羅意的物質波模型的電子行為數學分析,描述各個電子的波函數都是互不相同的,并提出波函數遵循的方程式被命名為薛定諤方程式。
薛定諤為什么要養貓?
根本原因:不贊同統計或概率的方法闡述量子的行為,無法接受哥本哈根詮釋。
圍繞著虐貓事件,我整理出了一個時間發生的時間軸(時間軸能讓我們更快看到事情的前因后果喲~)。
薛定諤于1925年提出“波動力學”,同時歸納出“薛定諤方程”,假設電子是圍繞原子核的波,并對電子行為進行了數學分析,描述了各個電子的波函數都是互不相同的。他從三個性質出發描述了波函數:
? ? ? ? 1、軌道的名稱表明了粒子波的能量高低;
? ? ? ? 2、軌道的形狀,球形或者其他;
? ? ? ? 3、軌道的傾角,決定了電子對z軸的磁距。
我們可以簡單的理解薛定諤對于量子運動的理解是:1、有連續的軌道軌跡;2、能量是運動軌跡的限制條件之一。
在“波動力學”發表的兩年后,1927年尼爾斯·波耳(Niels Henrik David Bohr)和維爾納·海森堡(Werner Karl Heisenberg)在哥本哈斯合作共同提出“哥本哈斯詮釋”,延伸了馬克斯·玻恩(Max Born)提出的波函數的幾率表述,后發展為“不確定性原理”。哥本哈斯詮釋中包含了幾個重要的觀點:
? ? ? ? 1、一個量子系統的量子態可以用波函數來完全地表述。波函數代表一個觀察者對于量子系統所知道的全部訊息;
? ? ? ? 2、根據玻恩定則,量子系統的描述是幾率性的。一個時間的幾率是波函數的絕對值平方。
? ? ? ? 3、不確定性原理闡明,在量子系統里,一個粒子的位置和動量無法同時被確定
? ? ? ? 4、物質具有波粒二象性;根據互補原理,一個實驗可以展示出物質的粒子行為或波動行為,但不能同時展示出兩種行為。
? ? ? ? 5、測量儀器是經典儀器,只能測量經典物質,像位置,動量等等。
? ? ? ? 6、對應原理:大尺度宏觀系統的量子物理行為應該近于古典行為。
根據重要觀點的闡述,我們可以發現哥本哈斯詮釋和波動力學的矛盾點:哥本哈斯詮釋認為粒子的運動有不確定性,按概率分布,他認為波函數告訴我們粒子未來處于某種狀態的可能性。
馬克斯·玻恩繼而提出了波函數坍縮,認為1、電子的位置可以直接測量;2、測量后的粒子將于設備的粒子相互糾纏,不能被波函數所描述。
于是乎,基于哥本哈根詮釋被大部分的物理學家認同和對使用統計和概率的方法闡釋量子行為的不認同,薛定諤開始虐貓了。
薛定諤的貓是怎么被虐的
基于對“哥本哈斯詮釋”的懷疑,阿爾伯特·愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和納森·羅森在1935年發表了一篇名為《Can Quantum-mechanical Description Of Physical Reality Be Considered Complete》的論文,以佯謬的形式針對量子力學的哥本哈斯詮釋而提出的早期重要批評--“ERP悖論(EPR佯謬)”。論文中通過設計思想實驗,檢驗兩個量子糾纏粒子所呈現出關聯性物理行為,凸顯定域實在論和量子力學完備性之間的矛盾(后于1964年約翰·貝爾提出貝爾定理,證實定域實在論不成立)。
EPR悖論凸顯了量子糾纏的怪異性質:假設兩個量子系統相互作用,然后彼此分離,但其中任意系統都不處于明確態,則它們的量子態將會疊加在一起,共同形成的量子態具有量子糾纏特性。根據哥本哈根詮釋,當其中任意系統被測量時,這兩個系統糾纏在一起的量子態會坍縮為明確態。
薛定諤同年提出了一個思想實驗補充了EPR悖論,嘗試通過統計與概率的角度,從宏觀的角度描述微觀粒子行為:假設把一只貓關在一個封閉的容器里,容器中裝置有一臺蓋革計數器,內置入極少量放射性物質。一個小時內放射性物質發生原子衰變的幾率為50%,不發生任何衰變的幾率是50%。若衰變事件發生,計數器將放電并通過繼電器啟動一個榔頭打破裝有氰化氫的燒瓶。氰化氫揮發將100%毒死貓。
根據哥本哈斯詮釋,“薛定諤的貓”思想實驗將解釋為:當盒子仍舊封閉時,盒子里的貓處于生死疊加的模糊狀態。當容器被打開被觀察時,決定貓是死是活,猶豫時間結束且貓的狀態不會被改變。
薛定諤通過思想實驗論證量子力學對微觀粒子世界超乎常理的認識和理解,使微觀不確定原理變成宏觀不確定原理,客觀規律是不以人的意志為轉移,貓既活又死違背了邏輯思維。
薛定諤的貓后續
后續?不講了。故事已經從一個《探索與發現》講成了一個心機屌報復逆襲的故事了。但不可否認的是,杰出的物理學家們在質疑中找出問題和不斷修正,極大地推進了量子力學的研究步伐。后續還涌現出了格利賓的《多世界詮釋》和量子相干性,不斷的為量子力學理論進行補充。補充一句,雖然海森特和薛定諤各持一方己見,但論述和試驗結果都是正確的。
關于薛定諤的貓,人們已經從物理思想實驗漸漸轉變成了倍有逼格的詞。《Bigbang》中謝耳朵甚至還使用了薛定諤的貓描述了佩妮和萊納德的感情狀態,處于50%好和50%壞的疊加狀態,只要曖昧狀態改變就可以決定是否適合交往了。
至于有人問為什么是貓不是狗……
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