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猫咪四命半:看懂薛定谔的猫你就懂了平行世界观

搜狐读书 | 2016-09-24 15:39:12 | 我要评论

  对美国影视剧感兴趣的小伙伴们,可能经常会听到一个听起来十分拉风的科学术语:“薛定谔的猫”。

  《源代码》运用了他的原理,《彗星来的那一夜》直接把争夺相关理论的物理书,当成了保命关键。

《彗星来的那一夜》引用“薛定谔的猫”

《彗星来的那一夜》引用“薛定谔的猫”

        连《生活大爆炸》里的谢尔顿都喜欢用它来举例:

  “根据薛定谔猫的的理论,你们潜在的关系……可以认为既好也坏。只有打开了盒子你们才能知道到底是好是坏。”———《陈皮问题》(第 1 季 17 集)

 谢尔顿引用“薛定谔的猫”理论

  实在是居家旅行、聚会聊天必备的提升格调科学定律啊,那么问题来了,什么是薛定谔猫理论呢?

  别忙,听读书君慢慢道来。都说猫有九条命,在这个理论里,它只有四命半……

  科普概念1:薛定谔不是铲屎官 思维实验是只存在于你的脑子里

薛定谔的猫不是指一只属于薛定谔的猫,这是一个假想实验。这也是一个任何人做不出来的实验;不然叫它假想实验就没有任何意义了。它只是个思维实验,其目的是要探索关于现实本质的一个显而易见的悖论。也就是说,如果一个事件还没有产生任何可察觉的效应,断言这一事件已经发生就是没有意义的,断言它尚未发生也是没有意义的。就跟丛林中倒了一棵树却无人听见声响那个思想实验差不多,不过更令人费解。

如果你多抛几次硬币,根据概率论的结论,你肯定会看到正面和反面向上的次数一样多。如果你只抛一次的话,你不会知道哪一面会朝上,但是抛出的硬币遵循人们了解很深的物理规律,你(原则上)可以通过仔细观察硬币的初始状况—拿硬币的姿势、哪一面向上、抛到空中的高度、旋转速度、空气阻力,等等—做些数学计算,就可以说出哪一面会朝上。

埃尔温·薛定谔

埃尔温·薛定谔

测量某种物理现象——比如观测原子中某个电子的位置,或者等到原子核自发辐射衰减—的过程也是类似的。和抛硬币一样,多次试验观测到的全部结果的发生概率分布情况差不多都是遵循某种概率规律。但跟抛硬币不一样的是,人们没办法预测任何一次测量的结果。不管事前收集了多少信息,这种过程遵循的规律(如果有的话)我们就是无从得知。我们每次测量都能得到一个结果,但是我们永远不能事前预测结果。电子“想”在哪里出现就在哪里出现。原子“想”什么时候衰变就什么时候衰变。如果科学是一门寻找原因的学问,上面说的这两件事都是无因之果的例子。

为了解释这种本质上的不可预测性,人们想到最好的理论就是把每个粒子都看成一个或多个状态的叠加。一个粒子(或者一堆粒子组成的系统)变成叠加态并不难,难的是保持叠加态。每次物体被观察(差不多就是指“能够与别的东西相互作用,在此过程里,所有状态中除某一个外,都不能被观察到”)的时候,态叠加就坍缩成一种状态,也就是被观察到的状态。

 科普概念2:坍塌——观察会令态叠加中的某一状态上升为100%

坍缩是指观察到态叠加中某一种状态的概率上升为100%。观察(相互作用)一旦发生,坍缩就随之而来,此时只有一种状态能被观察到,观察到态叠加中其他任何状态的可能性都同时降为零。态叠加一般只会在相互作用发生的时候坍缩。一旦这个物体不再与周围任何东西发生相互作用,它就可以回到多态叠加的状态了。多次观察同一个物体时,态叠加并不一定会坍缩到同一个状态。之前看到是铅笔的某个东西之后再看就变成了米勒德•菲尔摩尔(Millard Fillmore,美国第 13 任总统),尽管这不可能会发生。

没有与任何东西发生相互作用的物体并不是处于一种未知态,准确地说它根本没有态。下次它与环境产生相互作用时,态叠加中每一种状态都有一定概率被观测到,但现在其中任何一个都不算是这个物体的状态。这就像抢凳子游戏一样,只要音乐不停止,就没有人出局。

 态叠加效应

态叠加很奇怪。它们能转换变化,从而反映出下一次观察的参数和条件。只要观察开始,就只有一种状态能呈现出来。只要观察停止,物体就又返回态叠加,态叠加中每一种状态都是下一次观察中可能会出现的。这种能够同时反映出多种状态的能力非常奇特,人们日常生活中任何东西都没有这种能力。如果这种能力可以强化,反映在人类的尺度上,人们可能会一会儿觉得抓狂,一会儿觉得困惑,一会儿又觉得妙极。

 科普概念3:薛定谔猫理论的诞生

奥地利物理学家埃尔文-薛定谔谔 1935 年一直思考这个难题,他选择的亚原子尺度的物理过程是辐射衰变,把猫作为反应状态改变的宏观物体,绘图机和图表也被猫的生死取代。

 

总体而言,一段时间内,一块辐射物质中会有一定数量原子核会衰变。只要仔细选择合适大小的合适材料,你就能保证接下来一个小时中,至少其中一个原子有50% 的概率会衰变。薛定谔认为,也可以假设出一些“非常荒唐的情况”(他的原话是德语 ganz burleske Fälle,意思是完全荒唐的例子),他举了一个例子,可以假设有这样一个装置,如果一小块放射物质中的任何一个原子发生衰变,装置就会释放出氰化物气体。如果把这个可怕的装置和一只猫一块儿放进一个铁盒子里,铁盒子完全密封,外界完全无法得知里面的情况。除非盒子重新打开,否则身在铁盒之外无知的我们根本完全不了解里面那只猫咪的悲惨命运。猫咪的小命彻底掌握在亚原子世界的手中。

一小时之后,我们会打开盒子揭晓答案。如果我们看到的是一只死猫,那说明有一个原子发生了衰变。如果我们发现了一只活猫(八成还被吓疯了),我们就知道没有原子发生衰变。但是这之前,有个问题一直存在:盒子里是什么?

答案是:没有答案。

 

由于盒子里的东西对任何能影响到我们的东西都没有任何影响,没有眼见为实,所以我们没有理由宣布里面的猫咪是活是死(事实上,这两种状态也都是很多态叠加而成的。比如“死猫”这个状态是由“猫死于1分钟前”“猫死于2 分钟前”等状态叠加而成,而“活猫”则是由“打瞌睡的猫”“鬼哭狼嚎的猫”等很多状态叠加成的。*上面任何一种状态都可能是盒子里面的猫出现可能的状态)。

 科普概念4:同一事物到底会存在多少种状态?

问题并不在于如果我们是否愿意偷看一眼,或者我们能不能更认真点,或者我们有没有可以忽略某些已知因素(你知道月亮一直在天上挂着,即便你没有举头望明月也知道它在,因为你能够看到月亮对其他物体的影响)。只要没有任何物理过程能让我们区分“活猫”和“死猫”(或者说“没有原子发生衰变”和“至少有一个原子发生了衰变”)这两种状态,从我们的角度来说,盒子内就是这两种状态的叠加。

 

对大多数人来说,这就是令人费解的地方。根据日常经验,人们认为所有东西都一直处于某种确定的状态。如果你在光线很暗的地方穿衣服,你大概不知道穿上的衣服是什么颜色的,但是伟大的宇宙肯定知道。你的蓝色衬衫放在一个地方,红色衬衫放在另一个地方,当你选了其中一件穿,那就意味着你肯定没选另一件。把灯打开你就能知道自己穿的是什么颜色的衣服了,但是对伟大的宇宙来说,你伸手拿衬衫的时候它就已经知道答案了。

同样道理,人们很自然地坚持认为盒子里的猫肯定要么是生存,要么是死亡,而且我们只是因为暂时没有足够的信息所以没办法得出“正确”的结论。但是,不要急着打开潘多拉之盒,只要盒子仍然紧闭,就谈不上“生存”。

 

盒子里面没有活猫,也没有死猫,盒子里面存在的只是猫咪生死的概率。不管盒子里面是什么,只要里面的东西跟你毫无联系,就谈不上“对”或是“错”,里面的东西是猫还是猫头鹰都不好说。所以打开盒子这个举动不仅仅是揭开了答案,事实上这个举动产生了答案。

谢尔顿鼓励潘妮的时候,他说有隐喻意味的盒子里面是一段“可能的恋情”,他说对了。它还没有被观察,所以不能说这段恋情确实存在,所以也不能说这段恋情是好是坏。但是他又说,只有打开这个盒子,潘妮才能“确认”里面是什么,这句话让他这个比喻失色不少。更准确的说法是,现在恋情还不存在,除非潘妮打开盒子一看究竟,让它成为现实,让它成为一段甜蜜的恋情或是糟糕的恋情。

科普概念5:为什么至今没人能做成这个实验

现在假设我们已经打开了装猫的铁盒子,看到里面的状况,惨不忍睹。我们自然会嘀咕:几分钟之前这里面是什么样子的?不管眼前的画面何其惨烈,这事情不可能是盒子打开的瞬间发生的。经验告诉我们(嗅觉也得出同样的结论),里面的死尸已经放了有一段时间了。但是这是一种误解。盒子打开造成态叠加坍缩之前,谈论“这里面有什么”是没有意义的。根本连“里面”都谈不上。

那猫呢?猫能不能算是个观察者?那只猫自己当然清楚自己发生了什么。问题在于,从我们的角度而言,里面没有一只确定的猫,只有一只可能存在的猫,是一种态叠加,每一种状态中猫都处于某一种健康状况。但是有一种状态中存在一只猫并不意味着盒子里面就有一只猫。谢尔顿断言“盒子打开前,这只猫可以被认为既是活着也是死了的”,这句话强调了猫,所以事情变得让人糊涂了。猫既是活着也是死了的并不正确,猫既没有活着也没有死掉也不对,盒子里面并不是一个它,一只猫,而是它们,两种叠加态。

 

薛定谔的猫的实验只能是思维实验的一个原因是,我们难以做到把盒子封起来,与除此之外的整个宇宙彻底隔离。彻底隔离的话,我们就听不到里面的声音、闻不到里面的气味、观察不到盒子重心位置的变化,铁盒壁那边也不能有一丝丝振动和一点点热量,不打开盒子肯定没有办法辨别里面到底是活猫还是死猫。

至今没有人动手做这个实验的另一个原因是,从很多方面来讲,做了这个实验也没有任何意义。只要盒子完全密封,里面就存在两种叠加状态,但是你不可能观察到其中任何一种。所以也没有任何肉眼可见的证据证明态叠加的存在。你一旦打开盒子,与态叠加产生相互作用,态叠加就会坍缩,你就看到两种状态之一。无论哪一种情况发生,你看到的东西跟你用普通(没有隔离)的盒子做实验看到的并无二致。那费这么大劲有什么意义?

科普概念6:态叠加概念并非凭空想象 各种态彼此无意识

话虽如此,态叠加的概念并非凭空想象出来的。研究人员已经用很多办法把量子事件扩增到肉眼可见的尺度了,比如能够处于“正在振动”和“不在振动”两个状态叠加的小金属条。但是态叠加也只能发生在其没和周围环境发生相互作用的时候。一旦你在帘子后面用各种各样的观察方式偷窥,你看到的就不是一个同时在振动也不在振动的金属条,你看到的只能是一个要么正在振动,要么不在振动的金属条。

有个问题常常会蹦出来:“我们假设确实有一个原子衰变了,猫死掉了。只要铁盒子保持密闭,‘活猫’的状态也始终存在在里面。那只可怜的猫会怎么想?!”(毫无疑问,猫会想“千万别打开盒子千万别打开盒子!”之类的。)

 

但这又误解了态叠加的本质。这个盒子里并不是装着一个活猫状态加一个死猫状态。在猫看来(如果它还能看的话),盒子里面就是一只死猫。但是在我们看来,盒子里面既没有活猫也没有死猫,只有叠加在一起的各种状态,每种状态中都有一只猫,这只猫不知道其他状态中的猫的存在。所以更坦率的回答应该是:“什么猫?”虽然带了点禅宗当中不可知的意味。

|关于书|

 

作者: [美] 戴夫·佐贝尔

出版社: 未读·北京联合出版公司

译者: 秦鹏 / 肖梦

出版年: 2016-8

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