让人眩晕的薛定谔的猫

图片发自简书App

最近看有关量子论方面的资料

自然不得不看薛定谔的猫

也就是量子物理实验

话说确实是很难懂

看的很是头晕

这周就做个学习笔记吧。

一、基本概念:

"薛定谔的猫"是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的著名思想实验,是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演。

这里有一个必须要认识的概念:观测,它是量子行为的一个现象。微观物质有不同的存在形式,即粒子和波。通常,微观物质以波的叠加混沌态存在;一旦观测后,它们立刻选择成为粒子。

实验是这样的:在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果 。在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者观测时,物质以粒子形式表现后才能确定。

这项实验旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解,可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。

二、完整实验:

薛定谔的猫(Schrödinger's Cat)是关于量子理论的一个理想实验。

一只猫被封在一个密室里,密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子,锤子由一个电子开关控制,电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变,则放出阿尔法粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,释放出里面的氰化物气体,猫必死无疑。原子核的衰变是随机事件,物理学家所能精确知道的只是半衰期--衰变一半所需要的时间。如果一种放射性元素的半衰期是一天,则过一天,该元素就少了一半,再过一天,就少了剩下的一半。物理学家却无法知道,它在什么时候衰变,上午,还是下午。当然,物理学家知道它在上午或下午衰变的几率--也就是猫在上午或者下午死亡的几率。如果我们不揭开密室的盖子,根据我们在日常生活中的经验,可以认定,猫或者死,或者活。这是它的两种本征态。如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫,则只能说,它处于一种活与不活的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间,才能确切地知道猫是死是活。此时,猫构成的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。

量子理论认为:如果没有揭开盖子,进行观察,我们永远也不知道猫是死是活,它将永远处于半死不活的叠加态。

三、理论探索:

多世界诠释

1957年,埃弗莱特提出"多世界诠释":指出两只猫都是真实的。有一只活猫,有一只死猫,它们位于不同的世界中。问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变,而在于它既衰变又不衰变。当我们向盒子里看时,整个世界分裂成它自己的两个版本。这两个版本在其余的各个方面都是全同的。区别只是在于其中一个版本中,原子衰变了,猫死了;而在另一个版本中,原子没有衰变,猫还活着。

也就是说,上面说的"原子衰变了,猫死了;原子没有衰变,猫还活着"这两个世界将完全相互独立地演变下去,就像两个平行的世界一样。这一诠释听起来就像科幻小说,然而……它是基于无懈可击的数学方程,基于量子力学朴实的、自洽的、符合逻辑的结果。

这个诠释的优点是:薛定谔方程始终成立,波函数从不坍缩,由此它简化了基本理论。它的问题是设想过于离奇,付出的代价是这些平行的世界全都是同样真实的。这就难怪有人说:"在科学史上,多世界诠释无疑是目前所提出的最大胆、最野心勃勃的理论。"

量子相干性

1996年5月,美国国家标准与技术研究所(NIST)的Monroe等人用单个铍离子做成了"薛定谔的猫"并拍下了快照,发现铍离子在第一个空间位置上处于自旋向上的状态,而同时又在第二个空间位置上处于自旋向下的状态,而这两个状态相距80纳米之遥!(1纳米等于1毫微米)--这在原子尺度上是一个巨大的距离。

想像这个铍离子是个通灵大师,他在纽约与喜马拉雅同时现身,一个他正从摩天楼顶往下跳伞;而另一个他则正爬上雪山之巅!--量子的这种"化身博士"特点,物理学上称"量子相干性"。在早期的杨氏双缝实验中,单个光粒子即以优美的波粒二象性,轻巧地同时穿过两条狭缝,在观察屏上制造出一幅美丽的明暗相干条纹。

薛定谔方程

埃尔温·薛定谔在20世纪20年代中期创立了现在被称为量子力学分支中的一个方程。后来被称之为薛定谔

方程:ψ(x,y,z)+(8πm/h)[E-U(x,y,z)]ψ(x,y,z)=0

量子理论是20世纪科学的重大进展之一,由于量子力学对传统观念所带来的巨大冲击,连"量子"的提出者在内的科学家都想尽各种办法拒绝它,或做出各种调和性的解释。事实上,薛定谔就被量子力学的结果弄得心神不安,他不喜欢波粒二象性的二元解释以及波的统计解释,试图建立一个只用波来解释的理论。

薛定谔猫态

美国科学家宣布,他们成功让6个铍离子系统实现了自旋方向完全相反的宏观量子叠加态,也就是量子力学理论中的"薛定谔猫"态。

"薛定谔猫"佯谬假设了这样一种情况:将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的"薛定谔猫"。

美国国家标准和技术研究所的莱布弗里特等人称,他们已实现拥有粒子较多而且持续时间最长的"薛定谔猫"态。实验中,研究人员将铍离子每隔若干微米"固定"在电磁场阱中,然后用激光使铍离子冷却到接近绝对零度,并分三步操纵这些离子的运动。为了让尽可能多的粒子在尽可能长的时间里实现"薛定谔猫"态,研究人员一方面提高激光的冷却效率,另一方面使电磁场阱尽可能多地吸收离子振动发出的热量。最终,他们使6个铍离子在50微秒内同时顺时针自旋和逆时针自旋,实现了两种相反量子态的等量叠加纠缠,也就是"薛定谔猫"态。

怎么样,看完这些是不是有要崩溃的感觉呢?

量子理论正越来越快的进入现实的人类世界

它已不仅仅是理论物理研究的对象

大量的商业公司正在从事这方面的研究

我认为用不了多久

全新的世界将会降临

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