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爱因斯坦与薛定谔:盒子与猫的奇幻探秘

时间:2023-07-04 理论教育 版权反馈
【摘要】:很明显,爱因斯坦偏向第一个回答,而不是依据量子力学给出的第二个回答。爱因斯坦和薛定谔很开心,他们的思想实验证明了他们的观点,哥本哈根解释令人下意识地感到并不正确。爱因斯坦从未接受量子力学的概率和不确定性,终其一生都在寻找隐藏的规律。尽管如此,在爱因斯坦逝世后的数年,量子力学经受了实验检验,所有的指标都表明他错了。

爱因斯坦与薛定谔:盒子与猫的奇幻探秘

埃尔温·薛定谔爱因斯坦同一个阵营,他也反对哥本哈根解释。他认为三人的论文“就像金鱼塘里的长矛,搅动了所有人”。他认为,他的波动方程式被误用了,有时候他还想,如果他没有发展出那些方程,结局或许更好。这时,他宣布了量子力学:“我不喜欢它,我很抱歉曾经与它相关。”1928年,在写给薛定谔的一封信中,爱因斯坦抱怨道:“海森堡-玻尔哲学使人平静,为真正的信仰者提供了一个柔暖的枕头,使入眠者无法轻易被唤醒。”

爱因斯坦认为,海森堡的不确定性原理或许证明了在量子物质方面,大自然对我们所能了解的知识设定了界限,但是,这些界限并不意味着更深刻、更有确定性的现实,只是我们被拒绝进入。

1935年,爱因斯坦和薛定谔分享了一个思想实验,说明为什么他对于波函数和概率感到不满。他说,想象有两个盒子,一个放着一颗球,另一个盒子是空的。在我们往盒子里看之前,每个盒子有50%的概率能发现球。在我们看了之后,概率就成了100%或0%。但实际上,其中一个盒子中有球的概率始终是100%。爱因斯坦写道:

“……如果第一个盒子里有50%的概率放着球,这是否就是个完备的描述?不,完备的描述是,球是(或不是)在第一个盒子里……是:在我打开盒子前,都无法确定球就在其中一个盒子里,只有在我打开盖子后,我才能确定球在哪个盒子里。”

很明显,爱因斯坦偏向第一个回答,而不是依据量子力学给出的第二个回答。尼尔斯·玻尔和哥本哈根解释会认为,球处于叠加状态,在你看到并确认球的位置之前,球存在于两个盒子里。观测行为本身做出了选择。爱因斯坦的回答基于常识,但是,当他用相对论证明自己的观点时,常识并不总是一位可靠的向导,指引我们了解大自然的规律。

薛定谔提出了自己的思想实验,此后,这个实验成了一个通俗的量子力学解释。这个实验检验了量子力学的核心概念,即衰退的原子核释放出中子的时间是不确定的,直到人们进行观测。在量子世界里,无论是处于衰变状态还是未衰变状态,原子核都是存在的,直到有人进行观测时,它的波函数瞬间坍缩,状态变成唯一。这是一个我们能勉强接受的物体状态,也的确是个奇怪的量子力学原理,但是,到底这些怪异的事情是如何能够延展到“真实的”世界?

在他的思想实验中,薛定谔提出了以下问题:什么时候,系统能够从叠加态转换成确定的现实?放一只猫。(www.xing528.com)

薛定谔写道:“把一只猫关进盒子里,在盒子里放入以下装置:在一个盖革计数器内放入极少量放射性原子,放射性原子的数量很小,在一小时内,原子有可能衰变,也有同样的概率不发生衰退。假设衰变事件发生……则盖革计数器会放电,通过继电器启动一个榔头,榔头会打破装有氰化氢的烧瓶。”

他解释道,用以描述整个事件的波函数竟然表达出了活猫与死猫各半纠合在一起的状态。爱因斯坦和薛定谔很开心,他们的思想实验证明了他们的观点,哥本哈根解释令人下意识地感到并不正确。爱因斯坦说,波函数“包括既活又死的猫,这无法被描述为现实中会发生的情况”。

1948年,爱因斯坦写信给马克斯·玻恩,信中写道:“你相信投骰子的上帝,我相信物质世界和客观存在,以及它们所遵循的完美定律。”另一方面,对尼尔斯·玻尔来说,经典物理学的规则决定了我们周遭的日常世界也应该适用于量子领域,这并没有原因。量子物理学发现的就是事情的运行规律,无论爱因斯坦是否赞成。在某些时候,玻尔显得恼怒,对爱因斯坦说:“停止告诉上帝该怎么做!”

玻尔表达出了许多物理学家都感同身受的失望之情。他说爱因斯坦:“是一个拼搏着战胜量子现象荒原的先锋。然而,随后他提出了综合统计和量子原则的论文,似乎接受了自己此前一直抗拒和怀疑的所有物理学家的观点。我们中的许多人都认为,这对他来说是个悲剧,他在孤独中摸索前进,对于我们来说,我们失去了领袖和旗手。”

爱因斯坦从未接受量子力学的概率和不确定性,终其一生都在寻找隐藏的规律。尽管如此,在爱因斯坦逝世后的数年,量子力学经受了实验检验,所有的指标都表明他错了。史蒂芬·霍金在1997年的一次演讲上评论:“感到困惑的是爱因斯坦,而不是是量子理论。”

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