薛定谔的猫
薛定谔的猫设计思维实验是为了展示某些解读量子力学导致反直觉的结果。
在实验中,一只猫和一瓶有毒气体被放在一个盒子里。如果某一特定的放射性原子衰变,就会有一个木槌击碎气体瓶,杀死猫。由于放射性衰变是一个量子系统,猫的生死是由量子力学行为决定的。由此得出的结论是,在盒子被打开之前,猫既是活的,也是死的。
Erwin Schrödinger最初提出这个想法是作为一个荒谬的例子,表明量子力学的哥本哈根解释——当时最流行的哲学解释——不可能是正确的[1]。然而,它一直作为一个思想实验存在,为物理理论和大众想象提供了动力。
量子态与叠加
量子理论背后的两个主要思想是量化或者离散态,以及叠加的概念。
一个物理系统是由它可能处于的可能状态的集合来定义的观察到的.例如,一个电子可以在自旋向上或自旋向下的状态下观察到,但绝不是两者的组合。同样,在放射性衰变中释放的粒子被观察到要么被释放,要么不被释放,永远不会被部分释放。然而,用相同的方法制备的粒子并不总是观察到具有相同的状态。相同的铀原子会在随机时间内衰变或不衰变,尽管时间越长,原子越有可能衰变。系统的状态将发生变化,从而更有可能衰退。
要确定状态如何随时间变化,就需要状态叠加的概念。叠加态是A向量添加两种状态。量子态可以是系统中可观测态的任何叠加态。例如,一个电子可以处于50%自旋向上和50%自旋向下的状态。随着时间的推移,电子可能会改变状态,可能在100%自旋向上和100%自旋向下之间平稳振荡,每次都通过50/50的状态。的薛定谔方程,类似于牛顿定律对于量子力学来说,它精确地描述了电子如何在这些不同的叠加态之间跃迁。
但这似乎与之前的说法不一致。如果一个系统只能在一种状态下观察,它怎么可能是状态的叠加呢?量子力学的哥本哈根解释认为,当一个观察者观察一个系统时,它会以一种概率的方式从多个状态的叠加“崩塌”到一个单一的状态。这与由于Schrödinger方程而发生的叠加的平稳变化不同。
当Schrödinger的猫被观察到时,它不是活的就是死的。但如果它不是,它就处于活与死的叠加状态。
技术提示:有效状态的空间是的集合复杂的向量和一个eigenbasis由可观察状态和给出级1.对于特征向量的线性组合,观察到状态向量的每个分量的概率由该分量的系数的大小给出。线性代数对于深入理解量子力学非常重要:大多数结果直接来自于复向量空间上算子的性质。
多世界解释
不过,对坍缩的解释有一个问题。不要只是观察盒子里的猫,想象一下把你和猫放在一个房间里,让你的朋友在房间外面等着。你进行实验,打开盒子,记录你的观察结果,然后让你的朋友打开房间,看看你的观察结果是什么。从你的角度来看,猫是活的和死的叠加,直到你打开盒子,这时它就崩溃了。这时,你就处于一定见过猫的状态,这种状态一直持续到你的朋友开门。但从你朋友的角度来看,直到他们打开门,你仍然处于看到死猫和看到活猫的叠加状态。
更糟糕的是,这种设置可以一次又一次地重复,这样每个新的观察者都被放置在一个更大的房间中。观察者 总以为在观察者面前的状态已经崩溃 .在这个实验中,不同的观察者会对现实的状态产生不同的看法是有问题的。
量子力学的多世界解释解决了这个问题,因为它完全否定了坍缩的概念。相反,它声称总是有两个“世界分支”的叠加,一个是猫死的,另一个是猫活的。当你打开盒子,就会看到两个世界的叠加和两个版本的你。在一个世界里,猫是活的,你也看到猫是活的。在另一个世界里,猫死了,你看到猫死了。
引用
[1]薛定谔,欧文;约翰·特里默翻译。量子力学的现状。美国哲学学会学报.检索于2016年3月7日从http://www.tuhh.de/rzt/rzt/it/QM/cat.html
[flickr] flickr用户chwalker01检索于2016年3月7日从https://www.flickr.com/photos/31690139@N02/2965956885