艾德思：薛定谔的猫有救了物理学家通过实验证明意味着什么

近日,一条新闻引起全球轰动.耶鲁大学最新发表在 Nature 上的一项研究表明,我们能够计算出某个时间量子跃迁发生的概率,从而预测"薛定谔的猫"的命运.实验首次捕捉到了跃迁中的量子系统,这意味着量子跃迁并非玻尔和海森堡所认为的完全随机/瞬时发生的过程,而是更符合薛定谔的波函数理论.

问题是,如果量子跃迁并非玻尔和海森堡所认为的完全随机/瞬时发生的过程,这意味着什么?更符合薛定谔的波函数理论意味着什么?好的,我们今天就彻底挖他个底儿朝天!

第一个问题,量子跃迁是怎么来的?

原子核是什么样的?怎样构成?我们来看看都有哪些假设.［图1］

［图1］

1913年,丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)在巴尔默公式的启发下,提出了玻尔电子轨道模型,并提出了四个著名的假定:

1.行星模型:氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕核运行的,正如太阳系的行星绕太阳运行一样.

2.定态假设:氢原子的核外电子在轨道上运行时具有一定的/不变的能量,不会释放能量,这种状态被称为定态.能量最低的定态叫做基态;能量高于基态的定态叫做激发态.

3.量子化条件:例如,氢原子核外电子的轨道不是连续的,而是分立的,在轨道上运行的电子具有一定的角动量(L=mvr,其中m为电子质量,v为电子的速度,r为电子线性轨道的半径).

4.跃迁规则:电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态,反过来,激发态的电子会放出光子,返回基态或能量较低的激发态;光子的能量为跃迁前后两个能量之差.

玻尔认为,微观粒子的状态常常是分立的,所以从一个状态到另一个状态的变化常常是跳跃式的.量子跃迁发生之前的状态称为初态,跃迁发生之后的状态称为末态.在外界作用下,任何一种量子力学体系状态发生跳跃式变化的过程.电子在光的照射下从高(低)能级跳到低(高)能级,就是一种典型的量子跃迁过程,通常称为能级跃迁.在原子状态发生跃迁的同时,将放出(吸收)一个光子.量子跃迁的微观变化形式在宏观世界中不成立,其微观的物理变化不同于宏观.

简单的说,就是轨道上的电了吸收一个光子,其运行轨道就跃高一级(离原子核更远);电子释放出一个光子,其轨道下降一级(离原子核更近).［图2］

［图2］

这个观点极为激进/大胆又反直觉,这就是"量子跃迁".许多量子力学的先驱认为量子跃迁是瞬时的.这就埋下了一个祸根.

这跟薛定谔的猫有什么关系呢?请稍等!故事还没讲完呢.

构成哥本哈根诠释的有玻尔的电子轨道模型/海森堡的不确定性原理(即测不准关系)及其在哲学意义上的扩展——(玻尔的)互补原理.

好,我们先聊聊不确定性原理

海森堡在创立矩阵力学时,对量子形象化的图像采取否定态度,但却在表述中仍然需要使用"坐标"/"速度"之类的词汇,他认为这些词汇已经不再等同于经典理论中的那些词汇的意义.

海森堡假设:整个物理理论只能以可被观测到的量为前提,只有这些变量才是确定的,才能构成任何体系的基础.当微观粒子处于某一状态时,它的力学量(如坐标/动量/角动量/能量等)一般不具有确定的数值,而具有一系列可能值,每个可能值以一定的几率出现.当粒子所处的状态确定时,力学量具有某一可能值的几率也就完全确定.从电子发出的光子,会改变电子的动量,一个量的测量破坏了对另外一个量的测量,在量子力学中,测量不可避免地引起被测量对象的改变.

简单地说,这个原理是说从原则上您不可能同时精确的测得电子的位置和动量,您对一个量的测量越准确,对另一个量的测量就越不精确.

如果由理论来决定我们能够观察到什么东西,那么,我们没看到东西呢?读者有没有预感到将有什么事情会发生呢?开始掷骰子了?应该这样说,不确定原理本质是不追究测不准的原因,而只是接受能够测量的结果,那就是,宇宙就是您看到的样子,没有为什么,为什么本身已经成为了答案.

针对玻尔的电子轨道模型,海森堡认为:这一谬误的症结,在于人们试图用一个编造出来的/电子沿轨道运行的模型来硬套越来越奇怪的实验结果.我们必须忘掉轨道,把模型抛到脑后,然后完全基于观测到的数据在脑海中构筑纯粹的数学公式.没有人能够看到在轨道上运行的电子,但是您可以看到它们发出的光.海森堡对轨道的厌恶显而易见,因为确定性的轨道与测不准原理严重冲突.

让人惊讶的是,波尔接受了海森堡的测不准原理,他对电子轨道模型做了修改,提出了互补原理.不久之后,电子云的概念被提出,电子轨道被电子几率密度替代.［图3］

［图3］互补原理

玻尔认为,电子是粒子还是波?那要看您怎么观察.如果采用康普顿效应的观察方法观察,那么电子无疑就是个粒子(康普顿效应的本质是散射的光的频率发生了改变,实验结果实际上支持波动说的观点),如果用双缝干涉实验来观察,那么电子无疑就是一个波.电子本来是粒子还是波并不重要,问题是观察它们的方式.这就是波粒二象性.

按照哥本哈根解释,白猫黑猫是什么颜色不重要,是白猫或是黑猫只有观察了才有意义,这只"猫"具体是什么颜色只有观察了才有意义,这就是玻尔互补原理的本质.这样说也不太准确,哥本哈根诠释的精髓是这只猫既是白猫也是黑猫,具体是什么颜色的猫要看您怎么看它(不过,马上这只猫就会变成又死又活的猫了).当波恩把概率波和波粒二象性结合起来时就产生了戏剧效果.但很不幸,对人类来说,这不是玩笑,从此,猫处于又死又活的状态,直到您看见它,是死是活的判决才能生效.

哥本哈根解释就此正式成型.在很长一段时间里,哥本哈根解释代表了量子力学最正统的解释.问题来了.按照"统一"后的哥本哈根解释:

1.测量是哥本哈根诠释的核心,测量行为"创造"了整个世界.例如,只要不观测,月亮就处于存在与不存在的状态(有趣的是,人择原理必然推导出神择原理,因为宇宙需要一个无处不在的有智能的观测者以让宇宙的每个角落同时保持存在).

2.电子轨道跃迁和核衰变是不可控的和不确定的.

按照哥本哈根诠释,宇宙处于一种不确定的状态,这和经典物理学处于严重的对立状态.按照经典物理学,宇宙是服从决定论的,就如拉普拉斯所说:理性能认识某一时刻所有令自然洋溢生机的力和组成其存在物的各自状态,而且,假如理性足够强大,将那些数据投入分析,那么它能将一切运动,从宇宙中最大的物体到最小的原子,都包罗在同一个公式里.对这样的理性来说,没有什么不确定的东西,将来与过去一样,它都看得见.经典物理学虽然衰落,但是,战士并没有死绝.马上,薛定谔的猫就要登场了.

第一个反对者并不是薛定谔,而是量子力学的缔造者之一的爱因斯坦."上帝不与宇宙掷骰子!"早在1926年,爱因斯坦在写给玻恩的信里写道:量子力学令人印象深刻,但是一种内在的声音告诉我,它并不是真实的,这个理论产生了很多好的结果,可他并没有使我们更接近老头子的奥秘,我毫无保留的相信,老头子是不掷骰子的.

有了爱因斯坦的开场白,主角终于登场了.薛定谔认为,根据哥本哈根诠释,在没有测量以前,一个电子的状态是模糊不清的,处于各种可能性的混合叠加状态.例如一个放射性原子,何时衰变是不可知的,是完全概率性的.只要没有观察,它便处于衰变与不衰变的叠加状态,只有确实观察测量后,它才随机地选择一种状态,衰变,或是不衰变.做个不恰当的比喻,在一百年前,在孩子出生前,人们无法分辨妈妈肚子里的孩子是男是女.如果按照哥本哈根诠释,此时,孩子处于男孩或女孩的叠加状态,或者说是不男不女的状态.只有离开妈妈肚子出生后人们才能'看见',才能确定是男孩或是女孩.当然,用这个例子来讨论不确定性有些庸俗,也不能准确地解析不确定原理.怎样表现一个原子在看不见的地方的状态呢,薛定谔想起了一只猫.这位喜欢聚会的浪漫先生构想一个装有精巧/精密装置的箱子,里面有只名叫薛定谔的猫(玩笑),箱子里有食物也有毒药.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,该元素衰变的概率就少了一半,再过一天,就少了剩下的一半,永远都是50%.但是,人们却无法知道,它在什么时候衰变,只知道它衰变的几率——也就是猫死亡的几率.

打开箱子会产生两种结果,1.死猫.原子衰变释放一个阿尔法粒子时就会激发一连串的反应,释放毒气猫被毒死.2.活猫.原子没有衰变,没有连锁反应,没有毒气,猫可以继续'喵喵'叫.如果不揭开箱子,根据经典物理学或我们在日常生活中的经验,在盒子里必将发生这两个结果之一,猫要么活着要么死亡,这是它的两种本征态.但是,根据哥本哈根诠释,存在一个中间态,猫可以既不死也不活,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.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,猫处于和原子一样的叠加状态,是一只又死又活的猫.

请注意!

薛定谔的猫是用来质疑量子力学哥本哈根诠释的荒谬的!

薛定谔的猫是用来质疑量子力学哥本哈根诠释的荒谬的!

薛定谔的猫是用来质疑量子力学哥本哈根诠释的荒谬的!

现在,薛定谔的猫被扭曲成证明量子世界奇异性的教材,原因是目前粒子说处于理论物理学的主导地位,掌握着话语权.必须说明的是,在普通人眼里,物理学是一个整体.但是,事实并非如此.我们生存在同一个宇宙,却存在着4种互不相容的物理理论解释体系.对专业人士来说,理论物理圈也存在一个"鄙视链",相对论学家和量子力学专家认为经典物理学是一个落后的理论(注意不是说是错误的理论),而弦理论学家又认为相对论和量子力学终将会被弦理论所取代.也就是说,相对论和量子力学是为替代经典物理学而存在的,而弦理论也为替代相对论和量子力学而提出的.不了解这点,即使是有硕士/博士头衔也没意义,因为根本就没入门儿.

需要注意的是,存在两种量子力学,一种是波动说的量子力学(是经典物理学的延伸),即德布罗意/薛定谔的物质波理论和玻姆的隐变量理论;一种是粒子说的量子力学,由玻尔/海森堡和玻恩的哥本哈根解诠释/费曼的路径求和解释/埃弗雷特的平行宇宙理论/惠勒的延迟实验解释,多历史解释/多维度解释和多伊奇的超级大脑解释等互不相融的解释构成.事实上粒子说的量子力学所涉及的问题,波动说的量子力学都有相对应的解释.例如,1929年,德布罗意在他的诺贝尔获奖演讲中强调了物质波理论的意义,他说:"可见,描述物质的性质也像描述光的性质一样,要同时涉及波和粒子.不能再认为电子是电的单个粒子,它应当是和一个波缔合的,而且这个波并非虚构,它的波长可以测量,它的干涉现象可以预言.德布罗意设想的氢原子示意图.电子是驻波(波状实线),实环线表示电子的轨道,虚波线表示非驻波将由于干涉而消失.［录自彼得·柯文尼,罗杰·海菲尔德:<时间之箭>,湖南科学技术出版社,2008年,130页]［图4］

［图4］

薛定谔认为,电子绕核运动是一种周期现象,其形式与德布罗意对量子化条件的"相波谐振"解释惊人相似.1925年,薛定谔在<关于爱因斯坦的气体理论>中提出:舍弃粒子模型,不是把气体当作单个粒子的集合,而是应用1910年德拜推导普朗克辐射定律的方式,用经典统计把气体作为具有特征频率的振动模式的叠加,并首次运用德布罗意的相波理论计算每个模式的振动频率,得出与爱因斯坦粒子气体模型相符的结果……薛定谔不再把"相波"作为伴随粒子运行出现的一种周期现象/一种假想的波,而认为这种波是物理上真实的/实在的波——物质波,把粒子还原为相波的波包——"物质波理论";不再把这种物质波作为原子结构中绕核运行/形成稳态轨道的运行处理,而看作是为边界条件特征化的驻波,从而克服了高曲率折射困难——"驻波图像";而最为关键的是,由于上述两点进展,薛定谔很自然地立即着手去寻找支配这种实在的波/特别是电子驻波的波动方程,从而踏进了波动力学理论框架的门槛.［E·薛定谔,<薛定谔讲演录>,北京大学出版社,2007年,第148页］ ［图5］

［图5］

需要注意的是,光子与电子产生相干,电子轨道产生跃迁,这个所谓的相干性是粒子说的解释,而波动说称之为同频率干涉叠加现象,即电子波吸收一个光波,电子的环状驻波"半径"增大,轨道"高度"变大;电子驻波释放一个光波,电子驻波的轨道缩小.我们可以把薛定谔的这个驻波想像为一个旋转的呼啦圈(人是原子核),所谓的电子跃迁是呼啦圈变大变小,即大的呼啦圈对应高能级轨道,反之对应低的能级轨道.关键是,电子环状驻波因为同频率干涉吸收一个同频率的光波后,驻波"直径"变大,轨道高度上升一级,反之亦然.

回到我们最初的问题.如果量子跃迁并非玻尔和海森堡所认为的完全随机/瞬时发生的过程,这意味着什么?更符合薛定谔的波函数理论意味着什么?我们知道,薛定谔的波函数理论表明电子是一种波.因此,耶鲁大学的实验可以证明电子是一种波,这种电子轨道跃迁是电子波的跃迁.或者说,只有电子是波的情况下,才会出现这种现象,但是很遗憾,不会有人承认这个事实.

事实上,早就有实验可以证明电子轨道跃迁不是随机和瞬时的,那就是光电效应.我们知道,合适频率的光的照射,电子会产生轨道跃迁而飞出原子核,这是一种人为地制造的一种现象.还有,我们常说的光电效应是外光电效应,还有一种内光电效应:电子吸收一个光子,电子轨道跃迁到一个新的轨道"高度";而电子释放一个光子,电子轨道向下跃迁到一个更"低"的轨道.事实上,我们早就可以人为地制造电子的轨道跃迁现象了.

我们早就可以人为抵制造电子的轨道跃迁现象了!

我们早就可以人为抵制造电子的轨道跃迁现象了!

但是,客观现象和客观事实就摆在那里,采纳哪一个实验结果或解释,取决于波动说和粒子说谁处于上风状态!谁主导着话语权!

采纳哪一个实验结果或解释,取决于波动说和粒子说谁处于上风状态!谁主导着话语权!

采纳哪一个实验结果或解释,取决于波动说和粒子说谁处于上风状态!谁主导着话语权!

粒子说的量子力学并不能自洽地解释宇宙的客观现象和疑问,并不能把所有的事物都"量子化",即粒子化(例如无法对波长较长的电磁波(例如红外和无线电波)进行量子化),无法解释大家熟悉的智能手机和偏光太阳镜的原理.因为粒子说的解释不符合客观逻辑,所以理论存在不可救药的奇异性.薛定谔就曾嘲笑一些物理学家只会埋头在某个理论里.作为一个学者应全方位地了解这个世界.需要学习天文/地理/文学/历史等等,才不会脱离客观事实弄出一些刻舟求剑/掩耳盗铃和指鹿为马的所谓理论出来.

其实,争来争去,就是看谁能够逻辑自洽地解释客观现象,优胜者才称得上是终极理论.但是,只能遗憾地告诉大家,光电效应和这个实验并不能改变人们对量子力学的看法,在未来很长一段时间,(粒子说的)量子力学将仍然是一个"完全正确"的理论,虽然这个理论的解释完全脱离了客观现实.

一个新的科学真理照例不能用说服对手,等他们表示建议说'得益匪浅'这个办法来实行.恰恰相反,只能是等到对手们渐渐死亡,使得新的一代开始熟悉真理时才能贯彻.

——普朗克定律

<人类简史>的作者尤瓦尔·赫拉利在2017年指出:"尊重知识/听取学者建议很好,但发展到崇拜任何人的程度都很危险,包括崇拜学者.一个人一旦被推崇为先知或权威,他(她)自己都可能信以为真,进而变得骄傲自大,甚至陷入疯狂.对追随者而言,一旦他们信奉某人为权威,便会自我设限,停止努力,只期待着偶像来告诉他们全部问题的答案和解决方式.即使答案是错误的/方式是糟糕的,他们也会通盘接受."智慧从怀疑开始,真正的科学精神是怀疑与批判.终极理论不会是一个全新的理论,它就藏在现有的理论之中,当我们以客观逻辑为工具,就能在错综复杂的观点中找出宇宙真实的脉络.

先贤们几千年积攒下来的思想成果滋养了我们的智慧,他们点亮了一个又一个灯塔,指引着人类的发展方向.没有人的观点全部正确,也没有人的观点一无是处.有些观点后来被事实证明是一个个错误,那也是他们在错误的地方树立起了一个个指引正确航道的航标灯.

和<七堂极简物理课>这类无立场解读的科普书不同的是,<一只大象——体系与体系的对话>这本书以旁观者的角度对物理学发展史进行了重新梳理,还原了一些不为人知或被扭曲的历史细节,提醒人们注意"证实性偏见"的危害性.受伽利略的<关于托勒密和哥白尼,两大世界体系的对话>的启发,这本书也借四个虚拟人物的对话来阐述四大物理理论针锋相对的观点.书中引用均来自权威专著,并采用页下注,这也是能够通过专家审稿并获准出版的原因之一.书中还用一些通俗易懂的小寓言来解析复杂的物理理论,相对来说比较通俗易懂.这本书并非严谨的学术著作,仅为读者提供一个了解物理学的新视角,希望能够给喜爱物理学的同学们带来启发.

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