薛定谔的猫讲的是在一个封闭的大箱子里,放一只猫。箱子里有个放射性装置,里面的放射性物质在一小时之内,可能衰变,也可能不衰变。如果衰变,那它就会触发一个装置,装置打碎瓶子,瓶子里面有杀猫毒气。在你打开箱子看之前,那个放射性物质处在“衰变”和“没有衰变”的量子叠加态 —— 既衰变了,也没有衰变。在你打开箱子看之前,那只猫既是死的,也是活的。
薛定谔提出了量子力学里著名的波动方程,打开箱子的一瞬间,波函数朝一个方向坍缩,于是观察的结果是死或生的一种。
沈丹的猫是这样的,沈丹家的猫喜欢蹲在打印机上,在猫和沈丹之间隔着一个电脑显示器。沈丹从显示器左边露出脸去看猫时,猫已经盯着左边看了;沈丹从显示器右边露出脸去看猫时,猫已经盯着右边看了。经过多次的随机测试,猫似乎总能提前知道沈丹会从哪边看他。
那么问题来了,这只猫是不是也处于既看了左边,又看了右边的量子叠加态呢?沈丹的观测导致了这只猫看的方向的波函数朝一个方向坍缩了呢?
量子力学中有着著名的哥本哈根解释,它并不是一套物理定律,而是一套物理研究的方法论和哲学立场。爱因斯坦对这套解释并不认同,1927年第五届索尔维会议上,爱因斯坦向哥本哈根解释阵营的大佬波尔提出了他的问题。
哥本哈根解释阵营中的海森堡提出过“海森堡不确定性原理”,说位置和动量的不确定性是可以互相取舍的:你缩小其中一个的不确定性,就会放大另一个的不确定性:你不可能同时精确知道一个粒子的动量和位置。同样地,你不能同时精确知道一个系统的能量和时间。不确定性原理并不仅仅是一个实验经验,更是量子力学理论的内在要求。
而这次提问爱因斯坦攻击的正是这个不确定性原理。爱因斯坦认为物理学应该是确定性的理论。
爱因斯坦的问题是一个思想实验,假设有这样一个实验装置,在带有单缝的遮光板上面放一个弹簧,这样遮光板可以在垂直方向上运动。当一个电子从缝中穿过的时候,它会在上下方向发生衍射,即向上或者向下运动。
爱因斯坦说,假设电子穿过单缝之后往上走,就说明电子获得了往上的动量,那么根据动量守恒,所以遮光板就应该有一个往下的动量,弹簧就应该往下伸展一点点,对吧?反过来,电子往下,弹簧就应该往上。
动量 = 质量 × 速度,动量的方向就是速度的方向。动量守恒的道理就如同你用一个台球去打另一个台球,碰撞之后这个台球要是往上弹开,那个台球就会往反方向 —— 也就是往下弹开。
爱因斯坦说只要我看看弹簧的收缩情况,我不就能反推电子通过单缝时候的动量了吗?同时我又知道单缝的位置,那我不就同时知道了电子的位置和动量吗?这不就违反了海森堡不确定性原理吗?
玻尔乍一听,确实有点懵。但是经过一番讨论和思索,玻尔提出了解释。
玻尔说如果电子这么小的东西都能让弹簧发生一次震动,那这个遮光板和弹簧就应该也算是量子系统。既然是量子系统,缝上下运动的动量和缝的位置,就也具有不确定性!所以你不能根据缝的位置和动量去精确测量电子的位置和动量。
在这道题里,爱因斯坦混淆了宏观世界和量子世界。他把宏观世界的规则用在了弹簧和遮光板这个量子系统中,这是一个错误。
到这里沈丹发现自己和爱因斯坦犯了相同的错误,他把宏观世界和量子世界混淆了。这只猫并不是也处于既看了左边,又看了右边的量子叠加态。只是他的感知和行动速度快过沈丹,从而会提前朝沈丹头部运动方向看。
猫的注意力不可能一直很集中,经过更多的实验后发现有时候沈丹朝右看时,猫根本没看沈丹。。。
以前看到过一个笑话叫“薛定谔的滚” 。如果女朋友让你“滚”,她其实是处在真的让你滚、和让你过去抱她,这两种心理状态的一个“叠加态”。
你的下一步行动 —— 用物理学的话叫“观测” —— 将会使这个叠加态塌缩到一个固定的状态。你要是真滚了,她可能就是真的想让你滚;你要是过去抱她,她可能就认为自己原本就是想让你抱她。
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