量子力學篇 【量子力學篇-17期】薛貓的五層理解，看看你在第幾層？

他是物理學界上古四大神獸之一 傳聞他擁有分裂宇宙超越生死的無上祕法 由時空到阻礙因斯坦和虐貓大帝薛定諤這兩大物理界巨頭強強聯手 耗費數年光陰傾盡畢生修為孕育而出 就是要給如日中天的哥本哈根一派發起致命一擊 沒錯他就是出道極巔峯的薛定諤的貓 他為正道而至為應節而生 奪天地造化及萬千因果 於微末終崛起在破敗中復蘇因困境而昇華 小朋友們大家好 今天我們繼續聊量子力學 薛定諤的貓大家都不陌生 但人們對他的理解卻不盡相同 有人把它比喻成查成界 只要我不看 我就沒掛嗑 主打的就是一個心態無敵 也有人認為 薛定諤的貓體現的是一種世界觀 你為看此貓時 此貓與汝同歸於盡 你來看此貓時 則此貓亦是明白起來 還有人認為 世上哪有什麼既死又活的貓 不過是分裂成了兩個平行世界 其中一隻是活的 另一隻是死的 到底應該如何理解它呢 本期視頻 我將通過五層理解 為大家深度解析 這個物理學神獸背後暗藏的玄機 第一層 只要我不看 就一切都沒事 停留在這一層的 大多對物理學涉獵較淺 通過網友們強大的發散思維和玩梗能力 將其推廣至各個場景之中 其核心要點是 當你不看一個東西或者結果時 它就是不確定的 比如薛定諤的股票 薛定諤的成績 薛定諤的感情等等 這種用法 雖然也是很形象地反映了一種生活中的不確定性 但實際上它非常不準確 因為它並沒有真正理解薛貓的核心 是那個既生又死的疊加態 考試成績出來了 我不去查 那只是我自己不知道而已 但這個分數已經是鐵板釘釘的客觀事實 要麼及格 要麼不及格 而沒有第三種狀態 及格和不及格的疊加態 這和薛定諤的貓存在著本質上的區別 第二層 薛定諤的貓 是想像中 一種宏觀下的量子疊加態 量子力學 原本是一個關於微觀世界的理論 在戈本哈根解釋中 一個電子在被觀測前 它的自旋可以同時處於各個方向 只有我們非要通過測量 獲知它的自旋方向時 它才表現出某個確定的方向 這種現象 是量子世界最本質的神奇之處 但愛因斯坦和薛定諤 一直都是不相信這套解釋的 於是在老愛的啟發下 老薛提出了這樣一個思想實驗 作為對戈本哈根解釋的反擊 假設有一個盒子 盒子裡面裝著一隻貓 和一個能探測到放射性衰變的裝置 這個裝置裡 有一個隨時可能發生衰變的原子 如果這個原子衰變了 探測裝置就會觸發一個機關 比如一個錘子會落下來 打碎一個裝著有毒氣體的瓶子 貓就會被毒死 而只要那個原子沒衰變 貓就還會繼續活著 這個實驗將原子衰變這個量子事件 和貓的生死 巧妙地關聯在了一起 把微觀的量子效應 放大到了宏觀尺度 所以薛定諤說 如果你量子力學是對的 那你就必須接受這個既死又活的貓 但現實世界中 根本沒人見過這樣的貓 所以當時 連戈本哈根的帶頭老大 波爾 對此也無言以對 只能勉強地解釋說 你這個思想實驗不對 你的探測裝置都是宏觀的 而衰變的原子是微觀的 宏觀的探測會影響微觀 所以 你這個思想實驗有問題 這個解釋乍一聽有點道理 但宏觀具體是怎麼影響微觀的 波爾自己也不知道 但我們大概可以看出 無論是愛因斯坦 薛定諤 還是波爾 都不相信宏觀世界中 存在量子疊加態 第三層 我們的觀測 會讓貓的波函數發生攤縮 觀測會讓波函數攤縮 這在數學上表示起來 其實非常簡單 比如 在打開箱子之前 貓的狀態 可以寫成兩個狀態相加 其中 √1這個系數 是為了確保粒子攤縮到 其中每個狀態的概率 都是1⅔ 因為概率是波函數絕對值的平方 當然 我們稱之為波函數 只是一個歷史習慣 嚴格講 應該叫態函數 因為它描寫的是 貓的量子疊加態 當我們打開箱子看到貓時 它的狀態 就瞬間變成了 要麼死要麼活 但具體變成哪個 完全是隨機的 這就是波函數的攤縮 但是 在底層物理機制上 觀測的動作 具體是怎麼讓波函數攤縮的呢? 理論上 由於攤縮是純隨機的 而數學裡並不存在真正的隨機 單純用數學方程 是無法描述攤縮的具體過程的 所以 波函數的攤縮 也許需要一個 數學之外的機制來觸發 於是 馮諾伊曼大膽猜測 是因為意識 他認為 人的意識 是唯一有可能 不受數學方程限制的東西 馮諾伊曼是何許人也 你可能只聽說過 他是計算機之父 但除此之外 他還是數學家 物理學家 以及化學家 是美國國家科學院院士 也是普林斯頓高等研究院教授 並且還寫了一本 《量子力學的數學基礎》 為哥本哈根詮釋 矩陣力學 和波動力學的建立 都起到了巨大作用 是一個不折不扣的 全能型超級通財 量子力學與意識的關係 是一個引發了無數爭論的大題目 這裡我其實並不想講太多 免得又扯出一些不清不楚的言論 但既然說到了意識 那就不得不再提一個 關於意識和波函數 攤縮的思想實驗 這就引出了接下來的第四層理解 第四層 你我眼中的貓 並不一樣 由金維格納 1963年諾貝爾物理學獎得主 他在1961年提出了一個 著名的悖論 叫做《維格納的朋友》 原悖論中使用的 是一個處於水平偏振 和垂直偏振疊加態的光子 這裡為了便於理解 我們將這個光子 替換成薛定諤的貓 大概意思是 維格納的朋友 戴上防毒面具 跟貓一起待在盒子裡 在他看來 貓的狀態是確定的 因為貓的波函數 在他看到貓的一瞬間 就攤縮了 但在盒子外的維格納看來 我並不知道 我朋友的觀測結果 根據量子力學 我就必須假設貓的波函數 沒有攤縮 不過考慮到我朋友也在盒子裡 那就應該把朋友 也算做這個量子系統的一部分 所以 波函數應該寫成下面這個樣子 所以問題來了 在維格納的朋友看來 貓現在已經是個確定的狀態 而在維格納看來 貓的狀態 連同他朋友的觀測結果 都還是存在不同可能性的 還可以攤縮成不同的結果 在上帝視角看 假如現在維格納的朋友 已經看到了貓是死的 此時 如果維格納也打開箱子看 這個大的波函數 依然有一定的可能性 會攤縮成貓是活的 並且連同他朋友的觀測結果 也變成了貓是活的 那麼 這意味著維格納的世界線 在這裡就分了岔 進入到了 和分岔前的維格納 不一樣的平行世界 2019年 英國赫瑞瓦特大學的 幾個物理學家 用光子代替 維格納和維格納的朋友 以及薛定諤的貓 真的做成了這個實驗 實驗設計非常複雜 我這裡沒法展開細說 我把論文名附在了 視頻結尾處的參考文獻中 感興趣的朋友 可以自行去了解細節 總之 該實驗證實了 維格納和他的朋友 確實觀測到了不一樣的現實 這也就是說 你所身處的世界 和我所身處的世界 嚴格來說是不一樣的 那為什麼我們實際上 看到的現實 都是一樣的呢 因為日常生活的宏觀世界中 沒有誰真的見過 量子疊加態 但是 宏觀世界真的不存在 量子疊加態嗎 既生又死的貓 真的不能存在嗎 第五層 既生又死的貓 真的可以存在 薛定諤的真正問題是 如果貓可以處於疊加態 那為什麼 我們在日常生活中 從沒見過宏觀物體的疊加態呢 薛定諤那一代人 沒想明白這個問題 但是新一代物理學家 已經有了非常合理的答案 我們有了一個新的概念 叫做退相干 最簡單的波函數 就是單個粒子的情況 它等於該粒子各種狀態之和 複雜一點的波函數 就涉及到多個粒子 其中每一個狀態 都是系統中所有粒子 各自的狀態和環境狀態相乘 然後整個的波函數 是所有可能狀態的疊加 理想情況下 一個孤立系統 沒有任何擾動 而且這個系統的每一個可能狀態 都還保持不變 準確說就是相位不變 那麼我們就認為 這個系統是處於相干態 相干的意思就是 這些狀態之間 仍然可以發生干涉 然而世界上 並沒有絕對孤立的環境 粒子們總要和外界接觸 所以 那個大波函數的各個求和項 實際上會隨著時間發生變化 這就導致干涉不再能穩定呈現 稍微來點幹擾 原本有個乾淨的相位差 能發生漂亮干涉的幾個粒子 就變得雜亂無章 這就叫做退相干 這就好比同班同學 在一起上學讀書時 各方面的性質都是同步的 大家似乎總有討論不完的共同話題 某些同學之間 甚至還能發生親密糾纏 這就是相干 但一旦畢業 面對社會環境的不斷影響 每個人會發生一些不一樣的變化 有些話就說不到一起去了 彼此之間 慢慢就變得不再有關聯 這就是退相干 粒子之間 只有保持相干性 科學家們纔可能利用它們 表達出一些穩定的信息 一旦退相干 波函數變得雜亂無章 就好像從進退有度的士兵 變成了吵吵鬧鬧的老百姓 就會失去價值 所以 這也是量子計算中 最關心的問題 和瞬間的坍縮不一樣 退相干是個可觀測的過程 2000年 美國國家標準技術研究所的物理學家 已經在實驗室裡 觀察到了幾個粒子 逐漸退相干的全過程 而且他們證實了 參與的粒子數目越多 退相干的速度就越快 再想想薛定諤的貓 貓不是一個孤立的東西 它隨時都要呼吸 要與外界環境互動 貓加上外界的環境 再加上探測的設備 這得有多少粒子 所以 貓的退相干速度 可以說是瞬間發生的事 所以 日常生活中 誰也無法捕捉到貓的疊加態 那有沒有什麼辦法 延緩粒子們退相干的速度呢? 當然是有的 導致退相干的主要原因 就是外界的擾動 所以 我們只需要屏蔽外界的幹擾即可 如果有空氣擾動 那就抽成真空 如果有熱運動的幹擾 那我就給你動起來 現在 我們再回到最初的那個問題 貓到底有沒有疊加態? 最新的回答是 有 只不過 貓的退相干 發生得太快了 我們無法探測到 如果有一種貓 能在接近絕對零度的真空中存活 那你緊接著 將會看到一系列非常有趣的實驗 比如 貓的干涉