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薛定谔的貓在科學上有什麼用

寵物 更新时间:2024-08-08 06:10:32

這個問題有兩部分:

  1. 「生死疊加狀态」是什麼,它和我們通常理解的經典狀态有什麼區别?
  2. 「打開盒子」的時候發生了什麼?

薛定谔的貓在科學上有什麼用(解讀薛定谔的貓)1

我強烈建議大家把這兩個問題分開來看,因為前者是非常成熟的量子力學的基礎。說得不好聽一點,沒有一點功夫的人努力接受就好了,不要想着去推翻它。而後者是一個懸而未決的問題,稱為量子測量诠釋問題,好在它對理論預言并不産生什麼影響,換句話說目前它是個「哲學」問題,所以你在不違背客觀實驗事實的基礎上怎麼瞎掰都行。

所以我這裡不會解釋第二個問題,大家有興趣的可以去找找量子诠釋相關的文章。

關于第一個問題,很多人說了,薛定谔的貓最早是為了揭示哥本哈根诠釋的荒謬而被提出的,然而就像我說的,大家最後的結論是所謂「诠釋」暫無客觀的判别辦法,也就是說即便薛定谔的貓也無法判哥本哈根诠釋的死刑,換句話說就是,量子力學承認薛定谔貓态——生死疊加态的存在

薛定谔的貓在科學上有什麼用(解讀薛定谔的貓)2

問題的關鍵在于「疊加」。量子力學中的「疊加」态是沒有經典對應的,它不會像你想象中的任何例子——任何科普中的比喻都是不恰當的,比如你考試卷的例子。理解這個概念需要你對「系統可能的狀态」重新思考,一個變量(比如你的考試成績)經典的物理狀态可能是幾個值(90分和91分),而量子力學中可能的物理狀态則是這幾個值張成的(複投影)線性空間,這樣的狀态不僅包含一組基(90分和91分)上的概率(比如20%和80%),甚至還有它們的相對相角,這顯然已經不是經典的概率描述可以概括的。

理解這樣一個東西,難點在于——如果你不用它去做計算,那麼它的意義隻依賴于測量诠釋,不談诠釋的話你不理解它,而要談诠釋的話就會陷入無休止的哲學思辨中。這就是為什麼物理學家面對這個問題常說「shut up and calculate」,隻有深入計算後才能從诠釋以外的角度體會疊加态的本質。所以我雖然給出了疊加态的概念,你仍然不知道它是什麼,我也無法告訴你它是什麼,我隻能告訴你它不是什麼。這也是為什麼我在上面說你們努力接受就好了。

薛定谔的貓在科學上有什麼用(解讀薛定谔的貓)3

這樣的狀态對于微觀粒子來說是常态,但當粒子數增加時系統會傾向于一組基,而基矢間的疊加變得不穩定——比如生與死這組基,也就是說宏觀疊加态存在,但是系統很難被放到這樣的态上去。目前的量子計算工程努力地構造「貓态」,也僅僅是得到幾十或上百個粒子之間的糾纏(一種非定域的疊加),而真正的「宏觀」則涉及阿伏伽德羅常數這麼多的粒子。所以薛定谔貓态之所以荒謬,并不是因為它不可能存在,而是因為它難以實現以至于我們都沒有見過

就好像經典物理中的低熵态,原則上是存在于相空間的,但是統計上它是極難發生的。當年發展出熱力學的統計诠釋時可能也有人說「為什麼沒有人見過盒子裡的氣體全部自動縮到了一個角落?」我認為薛定谔的貓也是類似的思想實驗。

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