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为什么“薛定谔的猫”这个实验在现实中永远无法实现

2020-04-09 10:27:09 作者:

薛定谔的猫是量子力学中一个非常著名的实验。这个实验的最初目的是证明量子力学的不可靠性,但最终它变成了叛徒,成为证明量子力学正确性的一个重要实验。但是薛定谔猫的实验永远不会在现实世界中实现,也就是说,在宏观世界中。这到底是为什么?

1924年,德布罗意在他的博士论文《量子理论研究》中首次提出了相位波的概念,即物质波。在这篇论文中,使用了两个最出色的公式:E=hv和E=mc2。

德布罗意把这两个公式结合起来,做了另一个假设。他认为光量子的剩余质量不是零,而电子等物理粒子具有周期性的频率过程。

因此,他在论文中得出了一个开创性的结论:任何物理粒子都伴随着波动。

这种波被德布罗意称为相位波。

相位波

在这篇博士论文中,德布罗意首次正式提出了“波粒二象性”。他指出,波粒二象性不仅适用于光子,也适用于所有微观粒子,包括电子、质子和中子。他将光子动量和波长p=h/λ之间的关系推广到所有微观粒子,并指出质量为m、速度为v的运动粒子也有波动性,该波的波长等于普朗克常数h与粒子动量mv之比,即λ= h/(mv)。这种关系后来被称为德布罗意公式。此外,根据这一假设,电子也有波动现象,如干扰和衍射。

1921年,美国著名科学家戴维森和他的助手康斯坦斯在用电子束轰击镍靶的实验中意外发现,镍靶发射的少量“二次电子”与轰击镍靶的一次电子具有相同的能量,显然是在金属反射过程中发生了弹性碰撞。他们特别注意到“二次电子”的角分布有两个最大值,它们不是平滑的曲线。

这个实验证明,如果电子有波动,电子束穿过障碍物时应该像光一样衍射。

电子衍射实验示意图

几乎与此同时,著名的物理学家和电子发现者J·J·汤姆逊的儿子汤姆森也用高速电子穿过多晶金属箔,获得了与多晶上的X射线产生的衍射图案相似的衍射图案,证实了电子的波动。它为德布罗意波提供了另一个坚实的基础。他们俩一起获得了1937年的诺贝尔奖。

在提出波粒二象性之后,海森堡立即给出了他的测不准原理:位置越精确,动量越不精确,反之亦然。

爱因斯坦认为测不准原理表明波函数没有给出粒子量子行为的完整描述。波函数只预测粒子系统的概率量子行为。哥本哈根学派的领袖玻尔声称,波函数已经给出了粒子量子行为的描述,而从波函数获得的概率分布是基本的。一个粒子只能有一个确定的位置或动量,不能两者都有。

玻尔认为人类不可能获得真实世界的明确结果。他说,他只从这种测量中推断出下一次测量的各种结果的分布概率,而拒绝对两次测量之间的事物行为做出具体描述。

这正是爱因斯坦的相对论所不能接受的。尽管相对论推翻了牛顿的绝对时间空,但它仍然保持着严格的因果关系和决定论。

作为爱因斯坦的盟友,薛定谔也无法同意玻尔的观点,所以他提出了“薛定谔的猫”实验。

将一只猫放入装有少量镭和氰化物的密闭容器中。镭有可能会衰变。如果镭衰变,它将触发当局打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死亡。如果镭不衰变,猫会活下来。根据量子力学理论,由于放射性镭是衰变和非衰变的叠加,猫应该是死猫和活猫的叠加。这只死猫和活猫就是所谓的薛定谔猫。

爱因斯坦听到薛定谔的猫实验后非常高兴。他回信给薛定谔:“你的猫实验表明我们的观点完全相同。包含生与死的波函数ψ不能用来描述真实情况。”

在现实世界中,猫怎么会处于生与死的状态呢?薛定谔认为这是对玻尔的一个很好的反驳,但是他忽略了一个问题。微观世界不同于现实世界。

对宏观世界的认知不能应用于微观世界。量子力学的一个中心原则是粒子可以以叠加态存在,并且同时具有两个相反的特性,即波粒二象性。

虽然我们在日常生活中经常面临“非甲即乙”的选择,但在微观世界中我们可以同时接受“甲”和“乙”。

爱因斯坦的名言;“上帝不玩骰子”,但薛定谔的猫成了最好的论据:上帝似乎在玩骰子。

正是因为量子叠加的正确性,薛定谔的猫实验永远不能在宏观世界中被复制,因为宏观物质不可能处于“生与死”的状态,微观世界和宏观世界的主人有不同的运行规则。

然而,“薛定谔的猫”微观世界版可以成功测试。这是什么意思?为了用微观世界中的粒子来代替“猫”,研究人员将铍离子“固定”在间隔几微米的电磁场陷阱中,然后用激光将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。为了使尽可能多的粒子尽可能长时间地实现薛定谔猫态,研究人员一方面提高了激光器的冷却效率,另一方面使电磁场阱从离子振动中吸收尽可能多的热量。最后,他们让六个铍离子在50微秒内同时顺时针和逆时针旋转,实现了两个相反量子态,即薛定谔猫态的相等叠加纠缠。

2015年,来自洛桑瑞士联邦理工学院的科学家成功拍摄了照片,展示了光和波粒子的二元性。底部的切片场景显示光的粒子特征,而顶部的场景显示光的波特征。

薛定谔的猫实验已经在微观世界被证明了很多次,这也让薛定谔很不爽。薛定谔猫实验中显示的量子叠加特性也开始应用于计算机,即量子计算机。

因为传统计算机中的每一位都不是0或1,而在量子计算机中,量子位可以处于0或1的量子叠加态,这使得量子计算机具有传统计算机无法想象的超强计算能力。

例如,如果x=0,则运行;如果x=1,运行b。

传统的计算机总是一次只执行一个逻辑分支,或者是A分支,或者是B分支,或者两者都执行。

然而,在量子计算机中,变量X是量子叠加态,它既是1又是0,因此它可以在一次计算中同时执行A和B。这也被称为量子位或量子位。成为量子信息的度量单位。

换句话说,传统计算机使用0和1,量子计算机使用0和1,但与它们不同,它们的0和1可以同时计算。在经典系统中,一个比特同时是0或1,但是量子比特是0和1的量子叠加。这是量子计算机计算的特点。

所以如果我们把量子位的数量增加到10,那么传统的计算机需要计算2 10 = 1024次。量子计算机需要计算多少次?

再一次。

我们把量子位的数量加到100、1000、10000甚至更多,我们看到区别了吗?现有的计算机需要运行数万年的工作,量子计算机只能在几分钟内完成。

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