第二百二十章 关于哥本哈根诠释的问题
路幽幽稍微整理了一下思路,想着怎么跟这个人傻钱多的比尔·刘易斯解释。
薛定谔的猫是个非常有名的思想实验,来自量子力学中的哥本哈根解释,对路幽幽源心叶她们而言这是个上古时期的概念了,但对于外行人来说,这还是个非常新鲜且神秘的概念。不学物理的人动辄相对论量子力学,以为它们还是前沿科学,压根就不知道这些东西实际上早就已经是陈年旧账了。
至于路幽幽和源心叶所研究的量子场论,是基于量子力学之上,后来发展出的一个领域,和量子力学本身有一定区别。
“薛定谔的猫……”路幽幽想了想,“刘易斯先生,您知道薛定谔是谁吧?”
比尔·刘易斯一怔,“是个科学家。”
“然后呢?”女孩接着问。
“科学家。”
“然后呢?”
“科学家。”
路幽幽扶额。
这个比尔·刘易斯真的是大学物理学出身吗?他不会把达尔文和达芬奇搞混吧?达尔文画鸡蛋达芬奇的进化论?
“您对量子力学了解多少?”路幽幽问。
“了解不多,略知一二。”刘易斯的态度很谦恭,“肯定比不上路小姐和源博士这样的专业科学工作者。”
“量子力学是量子场论的基础,量子力学当年由爱因斯坦,波尔等人创立,到如今已经发展了很多年。通俗地来说,量子力学的核心是它的波函数,因为波粒二象性,粒子的状态可以由波函数来描述,而描述波函数运动的方程,就是薛定谔方程。”
“我记得波粒二象性的意思是……”
“学术界很早就意识到光是一种电磁波,也就是说,光既是粒子,也是波,但是到了二十世纪二十年代,法国物理学家德布罗意提出,不仅仅是光子,任何微观粒子,诸如电子,质子,中子等等实体的基本粒子,同样也会表现出概率波的特征,这就是波粒二象性。”路幽幽解释,“一言以蔽之,就是世间万物,皆可为波。”
刘易斯笑了笑,指了指自己,“我也是波吗?”
路幽幽挑了挑眉,“可以这么说。”
刘易斯上下打量自己,稍有些吃惊,他觉得自己明明是个实体,实实在在存在于世上的人,不知为何在物理学家眼里就变成了波。
“薛定谔的猫就是这个时候被人们提出来的,实际上,别人提出‘薛定谔的猫’这个概念,是为了反对量子力学,或者说反对哥本哈根解释。”路幽幽接着说。
“我们知道,量子力学的基础定理之一,就是海森堡的不确定性原理,这个理论指出,你不可能同时知道一个粒子的位置和速度,也就是说,如果你测量一个粒子的速度,那么你就测不准它的位置,如果你测量了它的位置,那么你就测不准速度。”
“海森堡的不确定原理带来了一个很大的问题,它从根本上揭示了……我们这个世界从基础上就是不确定的,是基于概率的,一切都是随机的。”路幽幽说,“这也就意味着,在我们的宇宙中,随机才是主流,确定的事少之又少……这个想法遭到了很多人的反对,其中就包括爱因斯坦,爱因斯坦说,上帝不掷骰子!”
比尔·刘易斯若有所思地点了点头。
“哥本哈根诠释的核心思想,就是把‘观察者’也加进了整个粒子运动的系统中,但在传统的古典物理学中,观察者与被观察者是分开的,是互不干扰的,比如说我手上有个盒子,我现在把一个苹果放进盒子里。”路幽幽比划着,“无论你看它还是不看它,这个苹果都会在这里,不会有任何变化,你的观测不会影响到这个苹果的状态,就算你盯着楼下那辆车看一整天,那辆车也不会突然消失。”
刘易斯点点头。
“但在量子力学当中,情况就发生了变化。”路幽幽说,“我之前说过,粒子具有波粒二象性,它既是波,也是粒子,在微观状态下,这些基本粒子以波的形式存在,但如果你悄悄地朝它们瞄了一眼……它们就会立即变成实体粒子。”
“我瞄了一眼,它们就会变化?”
刘易斯的思路有些跟不上了,这个结果非常反直觉。
“是的,它们的波函数会瞬间坍缩,就因为你看了一眼。”路幽幽点了点头,“这就是所谓的哥本哈根诠释,观察会对整个粒子运动体系造成影响,你不再是局外人,而是整个系统中的一员。
那么我现在有这样一个装置,一个不透明的纸盒子,纸盒子里关着一只猫。”
“纸盒子里装着一个开关,这个开关控制着一个毒药瓶子,开关的触发装置是一个原子核,如果原子核发生衰变,那么开关就会打开毒药瓶,放出毒药,毒死这只猫。”路幽幽接着说,“我们永远无法确定单个的原子核何时衰变,因为这是完全随机的,它可能在下一秒就衰变,也有可能一年之后再衰变,那么请问,此时此刻,这只猫究竟是死,还是活呢?”
刘易斯思索片刻,“可能是死的,也有可能是活的吧?”
一旁的源心叶笑了一下,“为什么?”
“显而易见啊,那个原子核的衰变不是完全随机的吗?它有可能衰变了,也有可能没衰变,如果衰变了,盒子里就是只死猫,如果没衰变,那就是只活猫。”刘易斯解释,“这么想没问题吧?”
“刘易斯先生认为,这只猫,要么是死的,要么是活的。”源心叶问,“对吗?”
“当然。”刘易斯点点头。
“这是正常的想法,但它是经典物理。”路幽幽轻轻出了一口气,“在量子力学的框架下,这只猫是既死又活的。”
“既死又活?”
“没错,这只猫并非要么死,要么活,而是既死又活的,它身上有两种状态叠加——一个是死,一个是活。”路幽幽解释,“它同时是一只死猫和活猫。”
刘易斯糊涂了。
“因为那个原子核是随机衰变的,它有可能衰变,也有可能不衰变,但在量子力学体系当中,它处于衰变和不衰变的两种状态叠加之下,那么开关就是处于既开又关的状态下,毒药也是既放了出来,又没放出来的状态,所以猫就是既死又活的。”源心叶嘿嘿一笑,“这个不好理解吗?”
比尔·刘易斯以求助的目光看向麦斯威尔,后者摊了摊手,量子力学是基础中的基础,他也没法讲得更简单了。
“那我如果打开盒子,能看到一只既死又活的猫?”
刘易斯没法理解什么叫“既死又活”,难道是上一秒活蹦乱跳,下一秒一命呜呼?然后再下一秒继续活蹦乱跳?
“不,你打开盒子,只能看到一只死猫,或者一只活猫。”路幽幽摇头,“你是观察者,你在打开盒子施加观察的一瞬间,原子核上叠加的波函数瞬间坍缩,要么坍缩在衰变上,要么坍缩在不衰变上,同样的,猫的波函数也会瞬间坍缩,要么坍缩在死上,要么坍缩在活上……也就是说,你施加观察的那一刻,猫的生死才会被决定。”
“这就是薛定谔的猫。”
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薛定谔的猫是个非常有名的思想实验,来自量子力学中的哥本哈根解释,对路幽幽源心叶她们而言这是个上古时期的概念了,但对于外行人来说,这还是个非常新鲜且神秘的概念。不学物理的人动辄相对论量子力学,以为它们还是前沿科学,压根就不知道这些东西实际上早就已经是陈年旧账了。
至于路幽幽和源心叶所研究的量子场论,是基于量子力学之上,后来发展出的一个领域,和量子力学本身有一定区别。
“薛定谔的猫……”路幽幽想了想,“刘易斯先生,您知道薛定谔是谁吧?”
比尔·刘易斯一怔,“是个科学家。”
“然后呢?”女孩接着问。
“科学家。”
“然后呢?”
“科学家。”
路幽幽扶额。
这个比尔·刘易斯真的是大学物理学出身吗?他不会把达尔文和达芬奇搞混吧?达尔文画鸡蛋达芬奇的进化论?
“您对量子力学了解多少?”路幽幽问。
“了解不多,略知一二。”刘易斯的态度很谦恭,“肯定比不上路小姐和源博士这样的专业科学工作者。”
“量子力学是量子场论的基础,量子力学当年由爱因斯坦,波尔等人创立,到如今已经发展了很多年。通俗地来说,量子力学的核心是它的波函数,因为波粒二象性,粒子的状态可以由波函数来描述,而描述波函数运动的方程,就是薛定谔方程。”
“我记得波粒二象性的意思是……”
“学术界很早就意识到光是一种电磁波,也就是说,光既是粒子,也是波,但是到了二十世纪二十年代,法国物理学家德布罗意提出,不仅仅是光子,任何微观粒子,诸如电子,质子,中子等等实体的基本粒子,同样也会表现出概率波的特征,这就是波粒二象性。”路幽幽解释,“一言以蔽之,就是世间万物,皆可为波。”
刘易斯笑了笑,指了指自己,“我也是波吗?”
路幽幽挑了挑眉,“可以这么说。”
刘易斯上下打量自己,稍有些吃惊,他觉得自己明明是个实体,实实在在存在于世上的人,不知为何在物理学家眼里就变成了波。
“薛定谔的猫就是这个时候被人们提出来的,实际上,别人提出‘薛定谔的猫’这个概念,是为了反对量子力学,或者说反对哥本哈根解释。”路幽幽接着说。
“我们知道,量子力学的基础定理之一,就是海森堡的不确定性原理,这个理论指出,你不可能同时知道一个粒子的位置和速度,也就是说,如果你测量一个粒子的速度,那么你就测不准它的位置,如果你测量了它的位置,那么你就测不准速度。”
“海森堡的不确定原理带来了一个很大的问题,它从根本上揭示了……我们这个世界从基础上就是不确定的,是基于概率的,一切都是随机的。”路幽幽说,“这也就意味着,在我们的宇宙中,随机才是主流,确定的事少之又少……这个想法遭到了很多人的反对,其中就包括爱因斯坦,爱因斯坦说,上帝不掷骰子!”
比尔·刘易斯若有所思地点了点头。
“哥本哈根诠释的核心思想,就是把‘观察者’也加进了整个粒子运动的系统中,但在传统的古典物理学中,观察者与被观察者是分开的,是互不干扰的,比如说我手上有个盒子,我现在把一个苹果放进盒子里。”路幽幽比划着,“无论你看它还是不看它,这个苹果都会在这里,不会有任何变化,你的观测不会影响到这个苹果的状态,就算你盯着楼下那辆车看一整天,那辆车也不会突然消失。”
刘易斯点点头。
“但在量子力学当中,情况就发生了变化。”路幽幽说,“我之前说过,粒子具有波粒二象性,它既是波,也是粒子,在微观状态下,这些基本粒子以波的形式存在,但如果你悄悄地朝它们瞄了一眼……它们就会立即变成实体粒子。”
“我瞄了一眼,它们就会变化?”
刘易斯的思路有些跟不上了,这个结果非常反直觉。
“是的,它们的波函数会瞬间坍缩,就因为你看了一眼。”路幽幽点了点头,“这就是所谓的哥本哈根诠释,观察会对整个粒子运动体系造成影响,你不再是局外人,而是整个系统中的一员。
那么我现在有这样一个装置,一个不透明的纸盒子,纸盒子里关着一只猫。”
“纸盒子里装着一个开关,这个开关控制着一个毒药瓶子,开关的触发装置是一个原子核,如果原子核发生衰变,那么开关就会打开毒药瓶,放出毒药,毒死这只猫。”路幽幽接着说,“我们永远无法确定单个的原子核何时衰变,因为这是完全随机的,它可能在下一秒就衰变,也有可能一年之后再衰变,那么请问,此时此刻,这只猫究竟是死,还是活呢?”
刘易斯思索片刻,“可能是死的,也有可能是活的吧?”
一旁的源心叶笑了一下,“为什么?”
“显而易见啊,那个原子核的衰变不是完全随机的吗?它有可能衰变了,也有可能没衰变,如果衰变了,盒子里就是只死猫,如果没衰变,那就是只活猫。”刘易斯解释,“这么想没问题吧?”
“刘易斯先生认为,这只猫,要么是死的,要么是活的。”源心叶问,“对吗?”
“当然。”刘易斯点点头。
“这是正常的想法,但它是经典物理。”路幽幽轻轻出了一口气,“在量子力学的框架下,这只猫是既死又活的。”
“既死又活?”
“没错,这只猫并非要么死,要么活,而是既死又活的,它身上有两种状态叠加——一个是死,一个是活。”路幽幽解释,“它同时是一只死猫和活猫。”
刘易斯糊涂了。
“因为那个原子核是随机衰变的,它有可能衰变,也有可能不衰变,但在量子力学体系当中,它处于衰变和不衰变的两种状态叠加之下,那么开关就是处于既开又关的状态下,毒药也是既放了出来,又没放出来的状态,所以猫就是既死又活的。”源心叶嘿嘿一笑,“这个不好理解吗?”
比尔·刘易斯以求助的目光看向麦斯威尔,后者摊了摊手,量子力学是基础中的基础,他也没法讲得更简单了。
“那我如果打开盒子,能看到一只既死又活的猫?”
刘易斯没法理解什么叫“既死又活”,难道是上一秒活蹦乱跳,下一秒一命呜呼?然后再下一秒继续活蹦乱跳?
“不,你打开盒子,只能看到一只死猫,或者一只活猫。”路幽幽摇头,“你是观察者,你在打开盒子施加观察的一瞬间,原子核上叠加的波函数瞬间坍缩,要么坍缩在衰变上,要么坍缩在不衰变上,同样的,猫的波函数也会瞬间坍缩,要么坍缩在死上,要么坍缩在活上……也就是说,你施加观察的那一刻,猫的生死才会被决定。”
“这就是薛定谔的猫。”
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